LTE, WiMAX ve WLAN iletişim sistemleri için MIMO anten tasarımları ve prototiplerinin gerçekleştirilmesi

Abstract

Kablosuz iletişim sistemlerinin veri iletim hızı, multimedya servislerine ait büyük miktardaki veri transfer ihtiyacından dolayı son yıllarda oldukça artmıştır. MIMO (multiple input multiple output) sistemleri sınırlı kanal kapasitesini aşabildiği için modern kablosuz iletişim sistemlerinde bir çığır açmıştır. MIMO sistemi, izole edilmiş çoklu antenler arasında sağlanan uzaysal paralel kanallar üzerinden eş zamanlı veri transferi yapabilme kabiliyetine sahiptir. MIMO teknolojisi son yıllarda, LTE (long term evolution), WiMAX (worldwide interoperability for microwave access) ve WLAN (wireless local area network) gibi kablosuz iletişim standartlarına adapte edilmiştir. Bu durum, kompakt, geniş bant, anten elemanları arasında yüksek izolasyon bulunan MIMO antenlerin gezgin terminallere entegre edilmesini gerektirmiştir.Bu tez çalışmasında, kompakt, geniş bant, düşük korelasyonlu anten elemanlarına sahip, üç yeni MIMO anten tasarlanmıştır ve prototipleri gerçekleştirilmiştir. Anten elemanları arasındaki ortak etkileşimi azaltmak için yeni yöntemler uygulanmıştır. Antenlerin tasarım prosedürleri detaylı olarak açıklanmıştır. Birinci anten, UWB (ultrawideband) uygulamalarına yönelik iken; ikinci ve üçüncü antenler ise LTE, WiMAX ve WLAN standartlarına uyumlu gezgin terminaller için tasarlanmıştır. Antenler, sırasıyla, 3.1–12.3 GHz, 1.79–3.77 GHz ve 1.8–4.0 GHz frekans bantlarında çalışmaktadır. Birinci antenin yapısı, anten elemanları arasındaki ortak etkileşimi azaltmak için birbirine göre dikey olarak konumlandırılmış iki özdeş düzlemsel ışıyan elemandan oluşmaktadır. İkinci anten, her biri dört monopol koldan oluşmuş ve birbirine göre simetrik olarak yerleştirilmiş iki özdeş ışıyan elemandan oluşmaktadır. Işıyan elemanlar arasındaki izolasyonu artırmak için toprak düzlemde yeni bir T şekilli parasitik eleman tasarlanmıştır. Üçüncü anten ise, dört monopol kolun bir araya getirilmesiyle oluşturulmuş, simetrik ve dikey, iki özdeş elemandan ve elemanlar arasında korelasyonu azaltmak için toprak düzlemde yeni bir artı şekilli parasitik elemandan meydana gelmektedir. MIMO anten yapıları, MoM'a (method of moment) dayanan IE3D™ benzetim programı kullanılarak tasarlanmıştır. Antenlerin performansı; S-parametreleri, bant genişliği, ışıma örüntüsü, yüzey akım dağılımı, kazanç, ECC (envelope correlation coefficient), TARC (total active reflection coefficient) açılarından incelenmiştir. Tasarım aşaması başarılı olarak tamamlanan antenlerin, FR4 materyal üzerine CNC cihazı aracılığıyla prototipleri gerçekleştirilmiştir. Anten prototiplerinin S-parametre ölçümleri yapılarak benzetim sonuçları doğrulanmıştır.

Data transmitting rate of wireless communication systems has been remarkably increased in recent years owing to the transferring requirements of the enormous data belonging to the multimedia services. Multiple inputs multiple outputs (MIMO) systems have been one of the most significant breakthrough in modern wireless communication due to overcoming the limited channel capacity. A MIMO system is capable of simultaneously transmitting multiple signals through spatially parallel channels between isolated multiple antennas. The MIMO technology has been recently adapted to latest mobile communication standards such as long term evolution (LTE), worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) and wireless local area network (WLAN). It is, therefore, necessary to incorporate compact, wideband MIMO antennas with high isolation between antenna elements to mobile terminals. In this thesis, compact, wideband, three novel MIMO antennas with low correlation between antenna elements have been designed and fabricated. New techniques have been implemented to reduce the mutual coupling between antenna elements. Antenna design procedures have been described in detailed. The first antenna is designed for UWB (ultrawideband) applications, while second and third ones are designed for LTE, WiMAX and WLAN handheld terminals. The antennas operate over the frequency bands of 3.1–12.3 GHz, 1.79–3.77 GHz and 1.8–4.0 GHz, respectively. The first antenna consists of two identical radiating planar elements orthogonally placed for improving isolation between them. The second antenna is comprised of two identical and symmetrical radiating elements formed by four monopole branches with a meandered strip-fed. In order to enhance the isolation between radiating elements, a new T-shaped parasitic element is designed. The third antenna consists of two symmetrical and orthogonal identical radiating elements composed of four monopole branches, and a new plus-shaped parasitic element to reduce the correlation between radiating elements. The antennas are designed by means of simulation software IE3D™ based on MoM (method of moment). The performance of the MIMO antenna is investigated in terms of S-parameters, radiation pattern, surface current distribution, gain, envelope correlation coefficient (ECC) and total active reflection coefficient (TARC). The MIMO antenna prototypes which accomplished successfully through design processes are fabricated with the material of FR4 via a CNC router. The simulated S-parameter results have been verified through the measurements.