5G çoklu giriş çoklu çıkış antenlerde antenler arası izolasyon yöntemlerinin araştırılması ve uygulanması

Abstract

Bu tez kapsamında, çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) anten sistemleri için kullanılabilecek ve antenler arasındaki izolasyonu iyileştirmeye yönelik topoloji tasarımları, benzetimler üzerinden analizleri, üretimleri ve ölçümleri çalışılmıştır. Tasarımlarda MIMO anten birim elemanı olarak sıradan dikdörtgen mikroşerit anten seçilmiştir ve anten dizilimleri analiz kolaylığı açısından 1×2 düzeninde gerçekleştirilmiştir. Birim elemanların merkez frekansı olarak 5. Nesil (5G) mobil haberleşme sistemleri için bir frekans bandı olarak belirlenen 3,5 GHz seçilmiştir. Tasarımlar ticari CST Studio Suite® elektromanyetik çözücü yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarımlarda alttaş malzeme olarak nispeten kolay temin edilebilen ve her iki de yüzü bakır kaplı FR4 malzemesi kullanılmıştır. Tasarımların gerçekleştirilmesinin ardından antenler baskı devre kartı (PCB) kazıma cihazı ile FR4 alttaş kullanılarak üretilmiş ve Keysight E5063A vektör ağ analizörü ile S-parametre ölçümleri gerçekleştirilmiştir.Tasarıma ilk olarak, 3,5 GHz merkez frekansında çalışacak ve 1×2 düzeninde antenler arası herhangi bir izolasyon yöntemi kullanılmamış sıradan dikdörtgen mikroşerit anten dizisi ile başlanmıştır. Bu anten izolasyon başarımında referans anten olarak kullanılmıştır ve tez içerisinde sıklıkla Referans Dizi Anten (RDA) olarak adlandırılmıştır. Anten dizisinin merkez frekansının belirlenmesinde S_11minimumu, izolasyon değerinin tespiti için ise hedef frekansta S_21seviyesi takip edilmiştir. Benzetimlerde RDA yapısı 3,508 GHz frekansında −16,41 dB S_21değeri gösterirken ölçümlerde −15,20 dB seviyesi elde edilmiştir. Nihai tasarımda RDA tasarımındaki izolasyonu iyileştirmek için anten düzleminde antenler arasına şerit hat eklenmiş ve toprak düzlemi bozularak 4 adet tamamlayıcı kapalı halka rezonatör (TKHR) yapısı 45° döndürülerek yerleştirilmiştir. Bu tasarıma izolasyon yapılı dizi anten (IDA) adı verilmiştir. Benzetimlerde IDA yapısı 3,523 GHz merkez frekansında −33,46 dB S_21değeri gösterirken ölçümlerde −31,04 dB değerine ulaşılmıştır. Bu sonuçlar IDA yapısının RDA yapısına göre izolasyondaki başarımını ortaya koymaktadır. RDA yapısından IDA yapısına geçerken kullanılan elemanların etkisini ortaya koymak adına, RDA ve IDA'ya ek olarak Anten 1, Anten 2, Anten 3, Anten 4 ve Anten 5 yapıları tasarlanmış ve bu antenlerin performansı sadece benzetimler üzerinden incelenmiştir. Burada bu antenlerin analiz edilmesinin amacı, anten düzlemindeki şerit hattın ve toprak düzlemindeki 4 adet 45° döndürülmüş TKHR yapısının izolasyon başarımındaki etkilerini ortaya koymaktır. Sonuç olarak nihai tasarımda elde edilen IDA yapısı hem benzetim hem de ölçüm ortamında −30 dB seviyesinden daha düşük S_21değeri sergileyerek izolasyon uygulamaları bir alternatif tasarım olabileceğini göstermiştir.

Whitin the scope of this thesis, topology designs for multiple input multiple output (MIMO) antenna systems to improve the isolation between the antennas, their analyses by using simulations, fabrications and measurements are studied. In the designs, ordinary rectangular microstrip antenna is chosen as the unit element of the MIMO antenna, and for the simplicity in the analyses the antenna sequence is realized in 1×2 layout. As the center frequency of the unit elements, 3.5 GHz is chosen which has been determined as one of the frequency bands of 5th Generation (5G) mobile communication systems. The designs are realized by using commercial CST Studio Suite® electromagnetic solver software. In the designs, FR4 material, with copper coated on both sides, is used as the substrate which is available relatively easily. Following the completion of the designs, the antennas are fabricated by using printed circuit board (PCB) milling machine on FR4 substrate, and S-parameter measurements are realized by using Keysight E5063A vector network analyzer. Firstly, the design is started with an ordinary rectangular microstrip antenna array at 3.5 GHz center frequency in 1×2 layout having no applied isolation approach on it. This antenna is used as the reference antenna in the isolation success, and in the thesis, it is frequently called as the Reference Array Antenna (RDA). To determine the center frequency of the antenna array and the isolation level, the S_11minimum and the S_21level are tracked, respectively. At 3,508 GHz frequency, the RDA structure shows −16,41 dB and −15,20 dB S_21levels in simulations and experiments, respectively.In the final design, to improve the isolation of the RDA design, a strip line is added in the antenna plane in between the antennas, and 4 complementary closed ring resonators (TKHR) in rotated manner is placed by defecting the ground plane. This design is called as the array antenna with isolation structure (IDA). At 3,523 GHz frequency, the IDA structure reaches −33,46 dB and −31,04 dB S_21levels in simulations and experiments, respectively. The results show the success of the IDA with respect to RDA in terms of isolation.To reveal the effects of the elements that are used in the evaluation of IDA from RDA, Antenna 1, Antenna 2, Antenna 3, Antenna 4, and Antenna 5 structures designed and the performances of these antennas are investigated by simulations only. The aim of the analysis of these antennas is to reveal the effects of the isolation performances of the strip line in the antenna plane and the four 45° rotated TKHR structures in the ground plane.As the result, IDA structure that is obtained in the final design shows that it is an alternative design for isolation applications with it's S_21levels lower than −30 dB both in simulations and experiments.