Çok demetli anten tasarımı yaparken Microwave Office adında bir benzetim programı kullanılmıştır.Birçok benzetim programının aksine kullanımı kolay ve çok pratik olan bu yazılımda biri UMTS diğeri de ISM bandında çalışan iki farklı çok demetli anten tasarlanmıştır. Şekil 5.1’de bu programdan bir alıntı yapılarak gösterilmiştir.
Ayrıca bu program antenin alan paternleri,s parametreleri ve bunlara bağlı olan parametreleri rahat bir şekilde çizdirme imkanı yanı sıra her türlü antenle(frekansa ve çalışma bandına göre değişebilen) ilgili birçok grafiği ekranda gösterme imkanı sunmaktadır.
44 5.1 Çift Beslemeli Anten Modeli
Bu bölümde kare mikroşerit ve çift polarize bir anten incelenmiştir. Anten boyutu sabit bir frekansa göre ayarlandığında, dört tane simetrik engel yardımıyla ayrılmış olan bu antenin çift polarize ışımayı başarılı bir şekilde gerçekleştirildiği gözlemlenmektedir. Mikroşerit antenin yatay zeminine uygun bir şekilde eklenmiş boşluklar ve besleme portları ifade edilmiş, ve bunun için gerekli olan deneysel çıkarımlar sunulmuştur. Düşünülen bu modelden anlaşılacağı üzere, FR4 alt katmanı iki besleme portu arasında yüksek izolasyonun (-30 dB den daha az) olduğunu ve iyi bir çift lineer polarizasyona ulaşıldığını göstermektedir. Aşağıda model antenin şematik yapısı gösterilmiştir [21].
Bu modelde,”dp” olarak gösterilen kısımlar antenin besleme portları,”L” ile gösterilen mesafe kare olan iletkenin her bir aygıtın uzunluğunu, ”S” ile ifade edilen uzunluk birbirine parelel olan simetrik engeller arasında olan mesafeyi, “l” ile gösterilen mesafe her bir engelin boyutunun uzunluğunu, “h” ile gösterilen mesafe dielektiriki tabakanın yüksekliğini, “εr” ise ortamın dielektiriki sabitini göstermektedir. Şekil 5.2’de bütün tanımlı büyüklükler gösterilmiştir.
5.1.1 Çift beslemeli anten modelinin UMTS’in uplink bandına(1920-1980MHz) uyarlanması
Yukarıda tanımlanan model antende L=29mm, l =8.5mm, S=5mm ve her bir engelin kalınlığı 1 mm seçilmiş olup, 1920-1980MHz bandında benzetim yapılmıştır. Bahsedilen band UMTS’in uplink bandı olup benzetim sonuçlarında S parametreleri, iki besleme portu arasında korelasyon olup olmadığı ve portların ışıma paternleri incelenmiştir. Benzetim sonuçlarında grafiklerin yatay eksenleri frekans uzayında dikey eksen ise logaritmik uzayda çizilmiştir.
Şekil 5.3’de yapılan benzetim sonucunda S11 ve S22 parametreleri görülmektedir. Bu grafiğe bakarak antenin ışıyıp ışımadığı ile ilgili bir kanaat elde edebiliriz. Şöyle ki; s parametrelerinin -10 dB’nin altına düştüğü frekans bandında antenin ışıma yaptığını anlayabiliriz. Bu antenin yaklaşık olarak 1920-1980MHz bandında ışıdığını söyleyebiliriz
.
Böylece S11 1 numaralı besleme portunun ışıyıp ışıyamayacağını, S22 ise 2 numaralı besleme portunun ışıyıp ışıyamayacağı hakkında bize fikir vermiş olur.
46
Şekil 5.4’de ise S12 ve S21 parametreleri görülmektedir. Bu parametrelere bakarak iki besleme portu arasında herhangi bir girişimin olup olmadığı yani 1 numaralı porttan verilen işaretin 2 numaralı porttaki ışımayı etkileyip etkilemediğidir. Bu parametreler logaritmik eksende azaldıkça (0’a yaklaştıkça) portların ışıma paternleri birbirinden bağımsızdır denilebilir.
Tasarlanan anten tamamen simetrik olduğu için S12 ve S21 aynı çıkmıştır ve birbirlerine hiçbir etkileri yoktur.
Şekil 5.5’de ise daha önce korelasyon katsayısı olarak tanımlanan “ρs” parametresi görülmektedir. Bu parametre denklem (5.1)’de gösterilmiştir.
) ( 1 ) ( 1 . . 2 12 2 22 2 21 2 11 22 * 21 12 * 11 S S S S S S S S s + − + − + = ρ birimsiz (5.1)
MIMO sistem performansına yaklaşabilmek adına bu parametrenin 0’a mümkün olduğunca yakın seçilmesi gerekmektedir. Literatürde yapılan daha önceki çalışmalar incelendiğinde, “ρs” parametresinin 0.2’den küçük olması gerektiği belirtilmişti. Bu değer besleme portları arasındaki yüksek izolasyon ve düşük bağlaşımı beraberinde getirir ve tek bir antenle MIMO sistemin performansına yaklaşılmış olunur. Şekil 5.5’te bulunan R değeri “ρs” parametresini göstermektedir.
UMTS’in uplink bandı için korelasyon katsayısının değerinin yaklaşık olarak 0.005 olduğunu söyleyebiliriz. Bu da 0.2 den küçük olduğu için başarım açısından MIMO sisteme yaklaşıldığını göstermektedir.
Şekil 5.6’da ise uyarma portunu 1 nolu besleme portu seçtiğimizde(bu durumda 2 nolu port sonlandırma portu olmaktadır) oluşan ışıma paternlerini görmekteyiz. “Φ”=00 seçip antenin ışıma paterni incelenmiş olup “θ” ve “Φ” bileşenlerinin genliklerinin büyüklük olarak çok farklı çıktığı anlaşılmaktadır. Antenin ışıma paterni antenin hangi yöne doğru ışıyacağını veya başka bir deyişle taradığımız eksen doğrultusunda bir işaret gönderdiğimizde antenin bunu alıp alamayacağını göstermektedir.
48
Bu verilere dayanarak grafik yorumlandığında genlikler arasında büyüklük olarak çok fark olduğundan dolayı lineer polarize bir antenin ışıma paterni olduğu söylenebilir. Φ=0’den başlayarak bir tarama yapıldığında gönderilen işaretin anten tarafından alınamayacağı anlaşılmaktadır. Bu ise paterndeki anlık genlik değerlerine bakılarak rahatça söylenebilir.
Şekil 5.7’de ise uyarma portunu 1 nolu besleme portu seçtiğimizde(bu durumda 2 nolu port sonlandırma portu olmaktadır) oluşan ışıma paternlerini görmekteyiz. “Φ”=900 seçip antenin ışıma paterni incelenmiş olup “θ” ve “Φ” bileşenlerinin genliklerinin büyüklük olarak çok farklı çıktığı anlaşılmaktadır. Antenin ışıma paterni antenin hangi yöne doğru ışıyacağını veya başka bir deyişle taradığımız eksen doğrultusunda bir işaret gönderdiğimizde antenin bunu alıp alamayacağını göstermektedir.
Bu verilere dayanarak grafik yorumlandığında genlikler arasında büyüklük olarak çok fark olduğundan dolayı lineer polarize bir antenin ışıma paterni olduğu söylenebilir. Ayrıca Φ=900’den başlayarak bir tarama yapıldığında ise gönderilen işaretin anten tarafından alınabileceği anlaşılmaktadır. Bu ise paterndeki anlık genlik değerlerine bakılarak rahatça söylenebilir.
Şekil 5.8 ve Şekil 5.9’da ise uyarma portunu 2 nolu besleme portu seçtiğimizde(bu durumda 1 nolu port sonlandırma portu olmaktadır) oluşan ışıma paternlerini görmekteyiz. Sırasıyla Φ=00 ve Φ=900 olarak eksen taraması yapılmış paternler elde edilmiştir.
50
Uyarma portunu değiştirdiğimizde ışıma paternlerinin ve anlık genlik değerlerinin değiştiğini gözlemlemekteyiz. Bu ise bir MIMO sistemde olduğu gibi patern çeşitlemesi sağlamaktadır.
Şekil 5.8 ve 5.9 grafikleri yorumlandığında, Φ=00 ekseni boyunca ise gönderilen işaretlerin anten tarafından alınabileceği anlaşılmaktadır. Φ=900 değerlerinden başlayarak bir tarama yapıldığında ise 00’ye göre sonuçların tam tersi çıktığı gözlemlenmektedir.
Buna göre ışıma paternindeki genliklere bakarak Φ=900 ekseni boyunca gönderilen işaretlerin anten tarafından alınamayacağı anlaşılmaktadır.
5.2 Wi-Fi Bandı Anten Modeli
Bu kısımda dairesel polarizasyona sahip çift beslemeli bir anten modeli ele alınmıştır. Şekil 5.10’a bakılacak olursa, “C” ve “D” noktalarında iki adet besleme portu olduğu görülmektedir. Kare olan antenin kenarlarının orta noktalarında belirli uzunluktaki şeritler kesilerek kaldırılmıştır.lx/2 ve ly/2 sırasıyla x ve y eksenindeki kesilmiş olan şeritlerin uzunluğunu göstermektedir. “εr” ortamın dielektiriki sabitini ve “h” ile gösterilen mesafe dielektiriki tabakanın yüksekliğini, “L” ise kare olan şeklin her bir ayrıtının uzunluğunu göstermektedir. Ayrıca boş şeritlerin genişliği de “1” mm olarak düşünülmüştür.
52
5.2.1 Wi-fi bandı anten modelinin ISM bandına(2400-2483MHz) uyarlanması Yukarıda tanımlanan model antende L=28mm, lx =5mm, ly =3mm ve her bir engelin kalınlığı 1 mm seçilmiş olup, 2400-2483MHz bandında benzetim yapılmıştır. Bahsedilen band ISM bandı olup benzetim sonuçlarında s parametreleri, iki besleme portu arasında korelasyon olup olmadığı ve portların ışıma paternleri incelenmiştir. Benzetim sonuçlarında grafiklerin yatay eksenleri frekans uzayında dikey eksen ise logaritmik uzayda çizilmiştir.
Şekil 5.11’de yapılan benzetim sonucunda S11 ve S22 parametreleri görülmektedir. Bu grafiğe bakarak antenin ışıyıp ışımadığı ile ilgili bir kanaat elde edebiliriz. Şöyle ki; s parametrelerinin -10 dB’nin altına düştüğü frekans bandında antenin ışıma yaptığını anlayabiliriz. Bu antenin yaklaşık olarak 2400-2479MHz bandında ışıdığını söyleyebiliriz.
Böylece S11 1 numaralı besleme portunun ışıyıp ışıyamayacağını, S22 ise 2 numaralı besleme portunun ışıyıp ışıyamayacağı hakkında bize fikir vermiş olur.
54
Şekil 5.12’de ise S12 ve S21 parametreleri görülmektedir. Bu parametrelere bakarak iki besleme portu arasında herhangi bir girişimin olup olmadığı yani 1 numaralı porttan verilen işaretin 2 numaralı porttaki ışımayı etkileyip etkilemediğidir.Bu parametreler logaritmik eksende azaldıkça (0’a yaklaştıkça) portların ışıma paternleri birbirinden bağımsızdır denilebilir.
Tasarlanan anten tamamen simetrik olduğu için S12 ve S21 aynı çıkmıştır ve birbirlerine hiçbir etkileri yoktur.
Şekil 5.13’de ise daha önce korelasyon katsayısı olarak tanımlanan “ρs” parametresi görülmektedir. Bu parametre denklem (5.2)’de tekrar gösterilmiştir.
) ( 1 ) ( 1 . . 2 12 2 22 2 21 2 11 22 * 21 12 * 11 S S S S S S S S s + − + − + = ρ birimsiz (5.2)
MIMO sistem performansına yaklaşabilmek adına bu parametrenin 0’a mümkün olduğunca yakın seçilmesi gerekmektedir. Literatürde yapılan daha önceki çalışmalar incelendiğinde, “ρs” parametresinin 0.2’den küçük olması gerektiği belirtilmişti. Bu değer besleme portları arasındaki yüksek izolasyon ve düşük bağlaşımı beraberinde getirir ve tek bir antenle MIMO sistemin performansına yaklaşılmış olunur. Şekil 5.13’te bulunan R değeri “ρs” parametresini göstermektedir.
ISM bandı için korelasyon katsayısının değerinin yaklaşık olarak 0.015 olduğunu söyleyebiliriz. Bu da 0.2 den küçük olduğu için başarım açısından MIMO sisteme yaklaşıldığını göstermektedir.
Şekil 5.14’de ise uyarma portunu 1 nolu besleme portu seçtiğimizde (bu durumda 2 nolu port sonlandırma portu olmaktadır) oluşan ışıma paternlerini görmekteyiz.“Φ”=00 seçip antenin ışıma paterni incelenmiş olup “θ” ve “Φ” bileşenlerinin genliklerinin büyüklük olarak hemen hemen aynı çıktığı anlaşılmaktadır. Antenin ışıma paterni antenin hangi yöne doğru ışıyacağını veya başka bir deyişle taradığımız eksen doğrultusunda bir işaret gönderdiğimizde antenin bunu alıp alamayacağını göstermektedir.
56
Bu verilere dayanarak grafiği yorumlarsak, bileşenler birbirine çok yakın çıktığı için dairesl polarizasyondan söz edebiliriz. Şimdi de Φ=900 olduğu duruma bir göz atalım.
Çift beslemeli antende dairesel polarizasyon olduğu için eksen değerlerini 900 dereceden başlattığımızda da birbirine çok yakın bileşenler elde ettik.
Dairesel polarizasyon kullandığımız için sağ kısım veya sol kısmın hangisinin daha baskın çıktığını ya da hangi taraftan gönderilen işaretin daha çok alınabileceğini irdelememiz gerekecek. Şekil 5.16 ve 5.17’yi incelediğimizde çok belirgin bir fark olmamakla beraber sağ taraftan gelen bileşenlerin genlik değerlerinin daha büyük olduğu gözümüze çarpmaktadır.
58
Dairesel polarizasyon kullandığımız için sağ kısım veya sol kısmın hangisinin daha baskın çıktığını ya da hangi taraftan gönderilen işaretin daha çok alınabileceğini irdelememiz gerekecek. Şekil 5.16 ve 5.17’yi incelediğimizde çok belirgin bir fark olmamakla beraber sağ taraftan gelen bileşenlerin genlik değerlerinin daha büyük olduğu gözümüze çarpmaktadır.