Design of a new ultra wideband (UWB) microstrip antenna

Abstract

Antenleri dikkate almadan kablosuz teknolojilerden konuşmak boşuna olur. İyi ve güvenilir kablosuz bağlantı yeterli iletim gücü, yeterli bant genişliği vs gerektirir. Bu şartları sağlamak amacıyla sistemin her parçası iyi çalışmalıdır, Ve anten bir sistemin başlangıç veya son kısmı olarak önemli bir rol oynar. Son yıllarda mikroşerit teknolojilerin getirilmesiyle mikroşerit antenler sanayi ve akademik çevrelerde ilgi odağı haline geldi. Teknolojideki bu gelişmelerin arasında bileşenlerin küçültülmesi, daha fazla bilgi iletmek için daha fazla bant genişliği sağlamak sayılabilir. Öte yandan anten talepler frekans bantları doygunluğuna yol açtı. Dolayısıyla teknolojinin bu sorunların üstesinden gelmek için bir başka devrime ihtiyaç duyuyordu. Ultra geniş band (UWB), bu yukarıda bahsedilen sorunların üstesinden gelmek için getirilen bu devrimsel teknolojilerden biri dir. Sorunları 3.1 ila 10.6 GHz arası kullanılan bantları tekrar ancak bu sefer daha düşük güç iletimi üzerinden kullanmak suretiyle çözmeye çalışmaktadır. Düşük iletim gücü kullanan bu teknik bu yolla diğer dar bantlı telsiz/radyo sistemlerini için görünmez hale gelmekte ve kullanılan spektrumun paylaşılmasına olanak vermektedir. Cihazların oldukça düşük güç altında çalışabilme kapasitesi ile birlikte yeterince hızlı çalışması gerektiğinden UWB teknolojilerini uygulamanın oldukça karmaşık olduğu da dikkatlerden kaçmamalıdır. Dolayısıyla bu sistemlerdeki antenlerin düşük bir güç altında sinyal alıp-gönderme kabiliyeti ile birlikte ultra geniş bant yelpazesinde çalışması gerekmektedir. Bu tezde UWB uygulamaları için bir mikroşerit anten geliştirilmiştir. Bugünün yaşam tarzında cihazların büyüklüğü önemli bir husus oluşturuyor. Dolayısıyla Çoğu UWB uygulamalarını kapsamak için bant genişliğini sabit tutulurken boyutları küçültmek için çalışmalar yapılmaktadır. Üretim masrafları önemli bir rol oynadığından antenler FR4 alt katmanlarında tasarlanıp imal edilmiştir. Bu çalışmada önerilen antenin boyutunu halen UWB frekans bant aralığını sağlayarak düşürmek için örneğin uygun yama biçimi kullanmak ve yarık uygulamak gibi farklı yöntemler denenmiştir. Son yıllarda yapılan çalışmalara bakıldığında daha büyük bant genişliğine ulaşmak için çok-katmanlı anten kavramı ilk kez Hall ve diğerleri [1] tarafından ortaya atıldı. Standart bir yama antenden 16 kat daha geniş bant genişliği sağlayan bu antenler artırılmış yüksekliğe sahip alüminyum alt katmanlardan imal edilmiştir. C. Wood tarafından ortaya atılan bir diğer yöntem. Mikro-şerit yama antenlerin bant genişliğini ikiye katlamaktadır [2].Demeryd ve Karlsson [3] düşük yalıtkanlık sabitli daha kalın katmanlar kullanarak geniş bantlı bir mikroşerit anten tasarladı. Bu anten geniş bant için bir dizi içerisinde bir anten elemanı olarak kullanıldı. Dairesel yama antenin bir temel geniş bant anten olduğunu varsayarak N.Das ve Chateljee [4] çok daha geniş bant genişliğine sahip konik bir mikro-şerit anten geliştirdi. Bu antenin tasarımı, dairesel yama antenin yama yapısını katman içine hafifçe konik olarak bastırmak suretiyle değiştirilmesine dayalıdır.Sabban [5], %15 bant genişliği artışıyla bir 64-elemanlı Ku bant diziliminin baz elemanı olarak iki katmanlı ikiz anten geliştirdi. Bhatnagar ve diğerleri [6] bant genişliğini artırmak için ikiz yapılı bir üçgen mikro-şerit yama anten geliştirdi. M.Deepu Kumar ve diğerleri [7] ikili frekans çalişması elde etmek için bir iki-kaplı mikro-şerit anten geometrisi geliştirdi. Anten geniş bir bant genişliği ile kapılar arasında mükemmel yalıtım sağladı. K.M. Luk ve diğerleri [8] %26'lık bant genişliğine sahip 8 dBi kazanılı bir ikiz dairesel çanak anten tasarladı. İkiz düzenlemenin dip yamasında dört doğrusal yuva kullandılar. K.M. Luk ve diğerleri [9] ayrıca bir L-biçimli prob beslemeli geniş bantlı dikdörtgen mikroşerit yama anteni de araştırdı. Önerilen antende bir köpük katmanı destek katman olarak kullanıldı. Bu katman dalga boyunun %10'u civarında bir kalınlığa sahipti. Anten %35 oranında bir empedans bant genişliğine ve 7.5 dBi'lik bir ortalama kazanca sahipti. Y.X. Guo ve diğerleri [10] bir U-yuva dairesel yamalı L-prob besleme ile alt katmanı destekleyen bir köpük katman kullandı. Bu yapıda %38'lik bir empedans bant genişliği ile 6.8dBi kazancı elde edildi. Kin Lu Wong ve diğerleri [11] yüksek çalışma frekanslarında zayıf eş yönlü ışıma karakteristikleri sorununun üstesinden gelmek için geniş bantlı eş yönlü metal plakalı monopol anten geliştirdi. Bu anten basit bir basamak biçimli yapıya sahipti ve uygulaması kolaydı. W.L. Stutzman ve G.A. Thiele, geniş bant genişliğine ulaşmak için ince bir tel kullanmak yerine düz bir metal kullanmayı önerdi [12]. Son on yılda düz plaka ışıyıcılar için çeşitli geometriler ortaya atıldı. Bununla birlikte bu antenlerin empedans bant genişliklerinin üst uçlarındakı bozulmalar dikkate alınmalıdır. S.Y. Suh ve W.L. Stutzman [13]'de ve S.-Y. Suh [14]'de düzlemsel ters çevrilmiş konik anten denilen yeni bir geniş bantlı, her yönlü, düz anten geliştirdi. Basit yapıları ve tüm yönlü ışınımları nedeniyle monopoller ve çeşitleri daha fazla dikkat çekmiş ve bant genişliklerini arttırmak için daha fazla çaba gösterilmiştir. Kawakami, H. ve Sato, G[15] Nakano ve diğerleri, [16] Rogers, S.D. ve Butler, C.M.N [17] ile Cho, W ve diğerleri [18] tarafından konik ve çatısal konik, kafes ve çeşitli yüklü monopoller, disk yüklü ve ters F antenler sunulmuştur. Ancak, konik veya dönel simetrik monopollerin hacimli yapısı onların en büyük dezavantajı olarak yorumlanabilir. Son zamanlarda, düzlemsel monopollerin sunulmasıyla tel elemanlar Brown, O.H. ve Woodward, O.M [19] Amman, M.J ve diğerleri, [20], [21] Agrawall ve diğerleri, [22] Chen, Z.N [23] tarafından düzlemsel elemanlarla değiştirildi. Bu yapılarda yatay ışınım düzenleri asimetrik yapıları nedeniyle eş yönlü değildir. Ayrıca, geniş bantlı monopollerde E-düzlemi boyunca ışın demeti gözlenebilir.Daha küçük boyutlara talep bu alandaki araştırmacıları standart küçük şeritli yamadan daha küçük boyutlu antenler tasarlamak için çaba göstermeye yöneltti. Bu çabalar düzlemsel ters F antenleri ve yamal antenler için yüksek-dielektrik sabitli alt tabaka gibi yeni anten tasarımları getirdi. Aynı zamanda bu antenler geleneksel yamalı antenlerden daha küçüktü ancak herhangi bir bant genişliği iyileştirmesi sunmuyordu. [24]'te J. Michael Johnson ve Yahya Rahmat-Samii tab monopol denilen yeni geliştirmiş bir düzlemsel anteni tanıttı. S. Honda ve diğerleri [25] 1:8 empedans bant genişliği ve tüm yönlü ışınım düzenine sahip bir disk monopol anten sundu. M. Hammoud ve diğerleri [26] geniş bantlı bir disk monopolünün giriş empedansını eşleştirme üzerine bir araştırmayı sundu. N.P. Agrawall ve diğerleri [27] 1998 yılında geniş bantlı düzlemsel monopol antenleri önerdi. P.V. Anob ve diğerleri [28] 2001 yılında uluslararası bir sempozyumda yarı dairesel tabana sahip geniş bantlı dikey bir monopol anteni tanıttı. M.J. Amman [29] bir eğim verme tekniği kullanarak geniş bantlı düzlemsel monopol antenin empedans bant genişliğinin kontrolünü sundu. M.J. Amman ve Z. N. Chen [30] çoklu bantlı kablosuz sistemler için geniş bantlı monopolü geliştirdi. S.-Y. Suh ve diğerleri [31]çoklu-geniş bantlı monopol disk anteni tanıttı. E. Antonino-Daviu ve diğerleri [31] geniş bantlı çift beslemeli düzlemsel monopol anteni önerdi. A.Khidre ve diğerleri [33], 67mmx74mm büyüklüğünde bir Rogers RT/Duroid alt katman üzerinde geniş bantlı U-yuva yama prob beslemeli bir anten sundu. 2012'de H. Malekpoor ve S. Jam, 50mmx50mm ebatlarında bir ultra-geniş bantlı kısaltılmış yama yapı tanıttı [34]. N.Ghasemi ve diğerleri 2007'de 7.6GHz bant genişliğine sahip bir çok katmanlı prob beslemeli bir yapı tanıttı [35]. Ek olarak Ghannoum ve diğerleri UWB sektörsel uygulamaları için iki E-biçimli ikiz yamalı 55mmx55mm ebatlarında bir mikro-şerit yama anten tanıttı [36]. Bunlara ek olarak son yıllarda yurık kullanmak [37], DGS (Defected Ground Structure) [38], EBG (Electromagnetic Band Gap) yapıları kullanmak gibi pek çok yöntem tanıtıldı ve test edildi. Bu çalışmada UWB bant genişliğini korurken antenin büyüklüğünü düşürmek için uygun yurıklara sahip bir yedigen (heptagon) yama tasarlanmıştır. Bu anten basit bir biçime sahip ve geçmişte önerilmiş olan antenlerin çoğuna kıyasla imal edilmesi kolaydır. Önerilen antenin ebadı, çoğu UWB uygulaması için yeterince küçük bir FR4 alt katmanı üzerinde 30mmx30mm'dir.Bu çalışmada simülasyon işlemleri için HFSS (High Frequency Structure Simulator) yazılımı kullanmıştır.

Demands for high rate and broad band communication technologies have been increased in recent years. These requirements lead organization such as FCC to define a new frequency range and standards to fulfill the needs. One of these standards today known as Ultra Wideband (UWB). The following thesis focused on this technology and tried to present a practical design of antenna supporting UWB systems.UWB technology is clearly presented in the second chapter and explains different approaches used to cover its requirements. The technology itself, without its implementation would be meaningless; therefore, methods of implementation and main applications of this technology will be described briefly.Methods of implementing UWB technology on microstrip substrate antenna disscussed in chapter three. A short introduction about the history of antennas will be good start for this chapter. The key to understand an antenna and its functioning is electromagnetic radiation.Despite prevalent believes, there is no need to be specialist in integro-differential equations to understand electromagnetic radiation. In order to grasp the concepts of electromagnetic radiation, one only needs to understand the electricity and magnetism. Researches in these fields, goes back to nearly two thousand years. Great scientists worked in these fields to deliver the great results to James Clerk Maxwell, who is the most known person in electromagnetic fields for what are currently called the Maxwell equations.In this chapter, it's tried to cover all the materials might be required for design procedure. Different feeding techniques that are used in microstrip antennas are also described. Last part of chapter three presents different techniques for widening the bandwidth. In chapter 4, a new heptagon shape microstrip antenna is presented. The antenna is fed using probe feeding technique with uniform ground plane. Proper slots have been employed to enhance the bandwidth. The antenna is designed and fabricated on the substrate of FR4 which will decreases the cost of fabrication as an important factor in industry. All the simulations have been done using HFSS software.