Kablosuz haberleşme uygulamaları için yarık-halka mikroşerit anten tasarımı

Abstract

Bilgiye kesintisiz ve hızlı bir şekilde erişim olanağı sağlayan kablosuz haberleşmenin önemi her geçen gün daha fazla artmaktadır. Bu uygulamalarda kullanılan cep telefonu, dizüstü bilgisayar ve kablosuz modem gibi taşınabilir cihazlardaki çeşitliliğin artması, ilgili cihazlara adapte edilebilecek boyutlardaki fonksiyonel antenlerin tasarımını zorunlu hale getirmiştir. Ayrıca IEEE standartları uyarınca çeşitli frekans bantlarında gerçekleşen kablosuz haberleşme uygulamalarının tek bir anten elamanıyla sağlanabilmesi ancak ilgili anteninçoklu-bant veya geniş-bant performans göstermesi ile mümkün olabilmektedir. Küçük hacimli olmaları ve üretimlerinin kolay olması sebebiyle, mikroşerit antenler kablosuz haberleşme uygulamalarında özellikle tercih edilmektedirler.Bu tez çalışmasında, kablosuz haberleşmenin değişik uygulamalarında kullanılmak üzere, yarık-halka (Split-Ring: SR) elemanlarını temel alan özgün çoklu-bant mikroşerit anten tasarımları gerçekleştirilmiştir. Önerilen antenler iç içe yerleştirilmiş SR elemanları ve bu elemanlar arasında uygun pozisyonlara yerleştirilen metalik yüklemelerden oluşmaktadır. Bu tezde önerilen yeni anten konfigürasyonları; GSM/DCS (900/1800 MHz), WLAN (2.4/5.2 GHz) bantlarında tasarlanmışSR-antenler (SRA) ve PCS (1.85?1.99 GHz), UMTS (1.92?2.17 GHz), WLAN (2.4/5.2/5.75 GHz) ve WIMAX (2.5?2.69 GHz) bantlarında tasarlanmış SR-monopol antenler (SRMA) olmak üzere iki ayrı grupta ele alınmaktadır. İlgili anten tasarımları sonlu elemanlar yöntemini (finite element method: FEM) temel alan benzetim yazılımlarıyla analiz edilmiştir. Fabrikasyonu ve ölçümleri gerçekleştirilmiş anten prototipleri ile benzetim sonuçları doğrulanmıştır.Bu tez çalışmasında, FEM tabanlı, FEMAS (Finite Element Microstrip Antenna Simulator) isimli özgün bir mikroşerit anten simülatörü geliştirilmiştir. FEMAS ile üç boyutlu mikroşerit anten elemanlarının analizi ve tasarımı gerçekleştirilebilmekte ve ilgili anten parametreleri (giriş empedansı, kazanç ve ışıma karakteristikleri) elde edilebilmektedir. Tezde, FEM formülasyonu incelenmekte ve FEMAS'ın özellikleri tanıtılmaktadır. Ayrıca, FEM tabanlı Ansoft HFSS ve sonlu farklar yöntemini temel alan CST Microwave Studio hazır benzetim yazılımları, ilgili anten tasarımlarında, FEMAS sonuçlarını desteklemek amacıyla kullanılmıştır.

The importance of wireless communications has been greater than ever due to the need for fast and uninterruptible access to the information. The increase in variety of mobile communication equipment, such as cell phones, laptops, and wireless modems, requires design of adaptable, miniature functional antennas. In this context, wireless communications in various frequency bands in accordance with IEEE standards is applicable by means of only one antenna element provided the element itself performs multi-band or broad-band operation. Microstrip antennas, therefore, are preferred in those applications due to their compact and ease-of-fabrication features.In this thesis work, novel multi-band microstrip antenna designs based on split-ring (SR) elements have been realized in use for various wireless communication applications. The proposed antennas are composed of concentric SR elements along with metallic loadings appropriately placed between the ring elements. The new antenna configurations proposed in this thesis are discussed in two categories; SR ? antennas (SRAs) for GSM/DCS (900 ? 1800 MHz) and WLAN (2.4/5.2 GHz) applications, and SR ? monopole antennas (SRMAs) for PCS (1.85 ? 1.99 GHz), UMTS (1.92 ? 2.17 GHz), WLAN (2.4/5.2/5.75 GHz) and WIMAX (2.5 ? 2.69 GHz) applications. The SR antenna designs were obtained using full-wave electromagnetic simulators based on the finite element method (FEM). Also, several antenna prototypes were fabricated and measurements were carried out, validating the simulations.In this research, an FEM-based microstrip antenna simulator, namely FEMAS, has been developed. The FEMAS allows analysis and design of three-dimensional microstrip antenna elements and outcomes the related antenna parameters (input impedance, gain, radiation pattern). In the thesis, the FEM formulation is overviewed and the features of FEMAS are presented. Also, commercially available FEM-based Ansoft HFSS and CST Microwave Studio based on finite-difference method have been utilized in the antenna designs to validate the FEMAS simulations.