Gezgin haberleşme sistemleri için hüzme yönlendirmeli mikroşerit dizi anten tasarımı: Analitik hesaplamalar, bilgisayar benzetimleri ve ölçmeler

Abstract

GEZGİN HABERLEŞME SİSTEMLERİ İÇİN HUZME YÖNLENDİRMELİ MİKROŞERİT DİZİ ANTEN TASARIMI: ANALİTİK HESAPLAMALAR, BİLGİSAYAR BENZETİMLERİ VE ÖLÇMELER Gonca ÇAKIR Anahtar Kelimeler: Mikroşerit yama anten, huzme yönlendirme, FDTD Özet: Bu çalışmada, gezgin haberleşme sistemlerinde baz istasyonu anteni olarak kullanılabilecek, düşük maliyetli, düşük güçlü ve huzme yönlendirmeli mikroşerit yama anten dizi tasarımları gerçekleştirilmiştir. Özellikle, İstanbul ve Ankara gibi yüksek binalar arasında dar sokakların fazla olduğu büyük şehir merkezlerinde (örneğin; Beyoğlu-İstiklal Caddesi, Kadıköy-Altıyol, Ankara-Kızılay Caddesi) yaklaşık 20°-35°'lik huzme genişliğine sahip anten dizilerinin gerekli olduğu ölçümlerle belirlenmiştir (Sevgi, 2000). Bu ihtiyacı karşılayabilmek amacıyla, bu çalışmada, 20° ve 35°'lik huzme genişliğine sahip yeni anten dizi tasarımları ele alınmıştır. İlk aşamada ampirik/analitik formüller yardımı ile tasarlanmış dizi anteni, güçlü bir sayısal teknik olan FDTD yöntemi kullanılarak gerçeklenmiştir. Bu amaçla, M-PATCH diye adlandırılan, PML tipi açık bölge sınır koşullarını ve eşdeğerlik prensibini kullanan ve yakın alan-uzak alan dönüşüm simülatörü ile desteklenmiş, FDTD tabanlı yeni bir yazılım paketi geliştirilmiştir. M-PATCH paketi ile giriş empedansı, yansıma katsayısı, etkin dielektrik sabiti gibi mikroşerit anten parametrelerinin yanı sıra anten ışıma karakteristikleri elde edilebilmektedir. Dizi anten özellikleri belirlendikten sonra, 1.8 GHz çalışma frekansında, sırasıyla, 20° ve 35° demet genişlikli, 60° ve 80°Tik elektronik tarama yapabilen (huzme yönlendirmeli) 3x3 ve 3x5 boyutlarında iki yeni yama anten dizisi (i) tasarlanmış, (ii) M-PATCH ile bilgisayar benzetimleri yapılmış ve (iii) laboratuar ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, tasarlanan dizi antenlerin istenilen performansları başarıyla gerçeklediğini göstermiştir. ıı

BEAM SCANNING MICROSTRIP ARRAY ANTENNA DESIGN FOR MOBILE COMMUNICATION SYSTEMS: ANALYTICAL CALCULATIONS, COMPUTER SIMULATIONS AND MEASUREMENTS Gonca ÇAKIR Keywords: Microstrip patch antenna, beam scanning, FDTD Abstract: In this thesis, low-cost, low-power and beam-scanning microstrip antenna array designs are introduced for use in mobile communication systems as base station antennas. Especially, in downtowns of large cities, such as Istanbul and Ankara, where many narrow streets between high buildings are present, an array antenna with approximately 20°-35° beam- width is needed as reported by Sevgi, 2000. To meet this need, new antenna array designs with 20°-35° beam-widths are considered in the thesis. An array antenna is first designed using empirical/analytical formulae and full-wave analysis of the design is then carried out by means of FDTD technique. For this purpose, a new EM simulator called M-PATCH was developed. M-PATCH is based on FDTD technique which employs PML as absorbing boundary condition, equivalence principle and far-field/near-field transformation. Microstrip antenna parameters, such as input impedance, return loss, effective dielectric constant, etc., as well as antenna radiation pattern can be obtained by means of M-PATCH software package. Based on the array antenna design, two new patch array designs (3x3 and 3x5) operating at 1.8 GHz with 20° and 35° beam- widths, 60° and 80° electronic scanning capabilities, respectively, were simulated by means of M-PATCH and corresponding measurements were also carried out. It is demonstrated that simulated and measured data correlate very well and the designed arrays perform successfully in accordance with the design specs. m