Kablosuz haberleşme için anten tasarımı

Abstract

Son teknolojik gelişmeler, algılama, bilgi işlem, iletişim teknolojileri ile Wireless Sensor Networkün ilerlemesine yol açılmıştır. WSN‟ler dört ana bileşenden oluşur: Radyo, işlemci, sensörler ve pil. Bir WSN uygulama alanı yoğun dağıtılan sensör düğümlerinden oluşmaktadır. Sensör düğümlerinin kendi kendini düzenleyen yetenekleri vardır ayrıca belirli bir görevi yerine getirmek için uygun bir yapı oluşturmak üzere birbirleri ile işbirliği içerisinde çalışmaktadır. Kablosuz Sensör Ağlarının gözetim, hassas tarım, akıllı evler, otomasyon, araç trafiği yönetimi, habitat izleme ve afet algılama gibi alanlarda kullanılması uygun bulunmuştur. WSN‟nin gelişimini kısıtlayan kıstaslar, sınırlı pil gücü, maliyet, bellek sınırlaması, sınırlı bilgi işlem yeteneği ve sensör düğümleri fiziksel boyutlarıdır. Son on yılda WSN ile ilgili kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Bu araştırma donanımın enerji tasarrufu ve protokol tasarımı, alternatif güç kaynaklarının saptanması, dağınık algılama teknikleri, planlama, çapraz katmanlı optimizasyonu, yerelleştirme, zaman senkronizasyonu ve kapsama ile ilgilidir.WSN en yaygın olarak kullanılan bir kablosuz iletişim standardı IEEE 802.15.4 mimarisine dayanır ve bu protokol Zigbee şebekesinin alt yapısını oluşturmaktadır. Zigbee‟nin avantajları: (I) çok düşük maliyetli ve WSN radyo çipinin karışık sinyal tasarımının çok düşük güç tüketimi, (II) düşük maliyetli artırılmış güç kaynakları, küçük form faktörü, (III) düşük maliyetli sensörler teknolojisi, farklı uygulamalar için özellikle biyosensörler. Küçük ve büyük alanlar fark etmeden WSN‟leri her türlü alanlarda kullanabiliriz.WSN‟nin kullanım alanlarını 4 ana başlıkta toplaya biliriz,PAN, LAN, MAN, WAN. Bu çalışmamda WLAN şebekelerinidetaylı olarak inceleyeceğim. WSN‟lerde en önemli olan kısım dataları dalga olarak gönderen radyo iletişimidir. Dalga göndermek, dalagaları almak ve onları merkeze göndermek için antenler kullanılmaktadır. Bu nedenle, antenler kablosuz sensör ağlarında önemli bir rol oynamaktadır. Ne kadar data gönderileceği, hangi frekans aralığının ve ne kadar bant genişliğinin kullanılacağı anten tarafından belirlenmektedir. Antenlerin her alanda ne kadar önemli bir yere sahip olduğunu düşünüp bu çalışmada antenler hakkında detaylara yer verilmektedir. Günümüzde geniş bandlı antenler ya da anten dizileri haberleşme sistemlerinin test ve ölçülerinde esastır. Anten test ve ölçüleri, her ürün için hazırlanan standartlarda belirtilen geniş bir band içinde yapılmak zorunda. Örneğin, radyo, TV cihazı, bilgisayar, telsiz telefon benzeri evsel gereçlerin DC‟den yaklaşık 1 GHz‟e kadar ölçü ve testleri yapılmak zorunda. Benzer şekilde dizüstü ya da avuç içi bilgisayarlarla haberleşme sistemlerinde, ofis içi, kısa mesafe (bluetooth) uygulamalarında, 900-1800-1900 MHz 3-bandlı GSM haberleşmesinde ve GSM cihazlarının bilgisayarlarla haberleşmesinde amaç, tek bir anten sistemi ile bütün bu frekansları kapsayacak haberleşmeyi sağlayabilmek yönünde.Bugün kullanıcı cep telefonundanya da dizüstü bilgisayarından FM radyo dinlemekten tutun, internet uygulamalarına, konuşmadan mesaj göndermeye hemenher şeyi tek bir cihaz üzerinden yapmak istemekte. Üretici de tüm bu servisleri verecek bir anten sistemini araştırmaktadır. Tüm bu istekleri karşılayabilecekbir anten sistemi de geniş bandlı olmak zorundadır. Antenin tiplerinden dairesel polarize (DP) antenler, polarizasyon uyumsuzluğu ve çok yollu sönümlenme etkilerini azaltmak gibi gerekli özellikleri ile en çok tercih edilen antenlerdir. Polarizasyon dalganın hareket yönüne dik gelen düzlemdeki salınımların yönünü tanımlayan yansıyan dalgaların bir özelliğidir. Bu kavram dalga yayılımı ile ilgilenen optik, iletişim ve sismoloji gibi teknolojilerde kullanılmaktadır. Elektrodinamikte polarizasyon, ışık gibi elektromanyetik dalgaların elektrik alanının yönünü belirten özelliğini ifade eder. Sıvılarda ve gazlarda ses dalgaları gibi boyuna dalgalar polarizasyon özelliği göstermez, çünkü bu dalgaların salınım yönü uzunlamasınadır; yani yönü dalganın hareketinin yönü tarafından belirlenmektedir. Tersine elektromanyetik dalgalarda (elektrik sahaya ait) salınımın yönü sadece yayılımın yönü ile belirlenmememktedir. Benzer şekilde katı bir maddede yansıyan ses dalgasında paralel stres yayılım yönüne dik gelen bir düzlemde her türlü yönlendirmeye yapabilir. Polarizasyon terimi dolayısıyla yansıyan dalga yoluna dik gelen düzlemdeki salınım işleminin olası yönlenmelerini ifade eder. Bu antenler gezgin haberleşme sistemlerinden, erken uyarı sistemlerine, yeraltı görüntüleme radarlarından, yön bulma sistemlerine kadar birçok alanda kullanılmaktadir. Bu çalışmanın ilk bölümünde ağlar incelenecektir. Ağların teknolojisi, çeşitleri, nasıl kullanıldıkları, kaç bölüme ayrıldıkları ve her ağda kullanılan önemli protokoller (bluethooth, wifi, wimax vb ) incelenecektir. Diğer bölümlerde antenlerin avantajları ve onların yapıları, önemli olan parametreleri, radyasyon desen, polarizasyon, kazanç vb. incelenecektir.Bu antenlerin en önemli olan ımikroşerit antenlerdir. Mikroşerit antenlerin türlerini ve band gelişleme yöntemlerini inceleyerek bu antenlerin özelliklerinden bahsedilecektir. Mikroşerit antenler WLAN ağlarında çalışmaktadır. Bu kavramları inceledikten sonra yeni bir mikroşerit anten tasarlayarak proje kısmına eklenecektir. Antenin simulasyon sonuçları HFSS uygulaması kullanılarak yapılacaktatır. Ayrıca antenin VSWR ve radyasyon desen parametre değerleri HFSS uygulaması kullanılarak arttırılmaya çalışılacaktır.

Recent developments in computing,sensing and communication technologies coupled with the need to continuously monitor physical phenomena have led to the advanced of Wireless Sensor Networks (WSNs). WSN containsfour main components: A radio, sensors, a processor and battery. A WSN is organized by densely deployed sensor nodes in an application area. In most deployments, the sensor nodes have self-organizing capabilities, to form an proper structure in order to collaboratively perform a particular task. Wireless Sensor Networks are found suitable for applications such as surveillance,accuracyagriculture, smart homes, automation, habitat monitoring, vehicular traffic management and disaster detection. The key restriction in the development of WSNs are limited battery power, cost, memory limitation, limited computational capability, and the physical size of the sensor nodes. Probing and development in WSN technology has been primarily application-driven. In the past decade, immense research has been done in:protocol design and energy efficient hardware, identifying alternate power sources, distributed detection techniques, multihop protocols, scheduling, cross-layer optimization, localization, time synchronization and coverage. Most usuallyused wireless communications standard in WSNs is according to the IEEE 802.15.4, usually referred to as Zigbee. There are three main areas that has received much less attention are: (i) very low cost and very low power mixed signal design of the WSN radio chip, (ii) raise power sources like low cost, small form factor photovoltaics, and (iii) low cost sensors technology for different applications in particular biosensors. Because of the increasing usage of wireless communication applications, the performance recovery studies of such systems has found a growing research area in last years. Antennas as one of the most important parts of these systems have gained a great attention. Among the different types of antennas, circularly polarized (CP) antennas are the most desirable ones, owing to their unavoidable competency like reducing polarization mismatch and multipath fading. To benefit from broadband and low profiles, diffrent shapes and designs of broadband circularly polarized slot antennas have been developed by applying different techniques on patch and ground structures. Patch, microstrip and slot antennas due to their adaptability with integrated circuit systems are widely being used in circularly polarized structures. Recently different methods are presented for creating circularly polarized operation band.A microstrip slot antenna is a good offer as it is low specifications, low cost, lightweight, and can be easily integrated with monolithic microwave integrated circuits (MMICs).To prosper the operating bandwidth and not decrease the antenna size, applying the printed slot antenna is a feasible method. For the printed slot antenna is a double of the microstrip antenna, it is as well as feasible that bypresenting some disorder to the slot antenna, circularly polarized (CP) radiation of slot antenna can be performed. CP antennas are more attentionthan other importance systems in wireless communications, sensors, radio frequency identifier (RFID), and vehicular radar. CP antennas is a good choice among the various designs and structures in wireless communications to raise of system implementationoffering better mobility, and weather penetration, more than the linearly polarized (LP) antennas. Also byapplyingthe CPantennas in wireless communication systems, arranging the direction of the antenna between the transmitter and receiver is not needed any more. CP antennas overcome the multipath fading problem and enhance system performance. Through feeding methods, coplanar waveguide (CPW) feed has some advantages like wide bandwidth, easy integration and single metallic layer. In order to producing CP radiation, created some of the methodssuch as : improvising two inverted-L grounded strips around two opposite corners of the slot, improvising T-shaped grounded metallic strip, which is orthogonal to the axis of the CPW feed-line, using an asymmetrical CPW fed from a corner of the slot with an embedding pair of grounded strips implanted in the slot, striped slot antenna with longerfraught, utilizing the additional arc-shaped grounded metallic strip for circular and linear polarization, and embedding a firelight shaped feed line and inverted-L grounded strips are used in literature. Through extensive simulation and measurements done, the designed antennas are all optimized and presented.