UMTS bandında çalışan monopol anten yapısının tasarlanması

Bu bölüm tasarım çalışmamızın ilk aşamasını oluşturmaktadır. Buradaki amaç sonraki aşamalarda da kullanılacak olan monopol yapının UMTS bandındaki çalışma karakteristiğinin incelenmesidir.

Yapının geometrisinden bahsetmek gerekirse Şekil 5.6’da gösterilen tasarımda kullanılacak toprak zemin 107mm x 40mm x 1mm (uzunluk x genişlik x kalınlık[t_z]) boyutlarında seçilmiştir. Koaksiyel besleme bacağı ise toprak yüzeyin üst kenarından 27.1mm +x yönünde ve x ekseni boyunca uzanan kenarlara eşit uzaklıkta olacak şekilde konumlandırılmıştır. Bu değerler ilk iki aşamada değiştirilmeyecektir.

Şekil 5.6: Monopol anten yapısı

Koaksiyel besleme bacağının diğer ucundaki iletken yüzey 6mm x Wb x 0.2mm boyutunda ve Wb genişliği monopol yapının genişliğine eşit olacak şekilde seçilmiştir (Wb = Wp1). Besleme ucu bu yüzeyin yaklaşık olarak orta noktasına yani yüzey üzerinde (3.1mm, Wb/2) konumuna temas ettirilmektedir.

Besleme yüzeyinin +x yönündeki kenarına +z yönünde yükselen, yani (y, z) düzlemi üzerine, Hd x Wp1 x 0.2mm boyutunda monopol iletken parça yerleştirilmiştir. Yapıda kullanılan dielektrik malzeme daha önce de söylendiği gibi havadır (

ε

_r =1.0006) ve toprak yüzeyin üzerinden monopol iletken parçanın (en üst noktasının) Hk =1mm üzerine kadar uzanır. Sonuç olarak tasarlanacak olan monopol anten yapısının yüksekliği aşağıdaki şekilde hesaplanacaktır:

anten z b d k

H = +t H +H +H (5.2)

Burada kullanılan koaksiyel beslemenin direnci 50 Ω olarak seçilmiştir ve antene maksimum güç aktarımı için giriş empedansı değerimizin bu değere eşit olması gerekmektedir. Bu yapıda beslemenin üst kısmında bulunan 6mm x Wb boyutundaki yüzey, empedans uyumunun sağlanmasında önemli yere sabittir. Ayrıca monopol iletken parça bu yüzey üzerinden besleneceği için bu iki yüzeyin genişlikleri eşit alınmıştır (Wb = Wp1). Toprak zemin üzerinden besleme yüzeyi üzerine kadar olan yükseklik Hb ile gösterilmiştir. Bu tasarımda optimizasyon Hd, Wb ve Hb değerleri üzerinde yapılan değişikliklerle sağlanmaya çalışılacaktır.

Çalışmada kullanılan monopol anten yapısı aslında bir ucundan beslenen tek kutuplu bir davranış sergilemektedir ve bu yapıların uzunlukları (L0) genellikle aşağıda ifade edildiği gibi

λ

4 olmaktadır [17].

0 4 4 4 g r eff eff r c L f

λ

λ

ε

ε

≈ = = (5.3) ve 1 2 r eff

ε

ε

= + (5.4) şeklindedir. Burada c ışık hızını,

λ

r fr rezonans frekansında serbest uzay dalga boyunu,

ε

_eff etkin dielektrik sabitini,

λ

_g ise dielektrik malzeme içerisindeki dalga boyunu ifade etmektedir.

0 2.05

f = GHz frekansı için düşünülecek olursa

λ

4 değeri yaklaşık olarak 36mm civarında olacaktır. Bu nedenle Hd, 34mm – 38mm arası değerlerden seçilecektir.

Yapılan çalışmalar sonucunda f₀ =2.05 GHz çalışma frekansında anteni rezonansa sokmak için kullanılacak olan Hd, Wb ve Hb parametrelerindeki değişimlerin anten karakteristiği üzerindeki etkileri gözlemlenmiş ve Hd = 37.2mm, Wb =8mm, Hb = 1mm değerleri için Şekil 5.7’de giriş yansıma katsayısı (S11) grafiği gösterilen anten yapısı elde edilmiştir. Burada rezonans frekansını belirleyen parametrenin yukarıda da anlatıldığı üzere baskın şekilde Hd uzunluğu olduğu görülmüştür. Diğer iki parametredeki değişimler ise özellikle empedans uydurma işlemi üzerinde etkili olmuşlardır. Aynı şekilde görüldüğü üzere anten arzu edilen merkez frekansına çok yakın bir değer olan f0 =2.06 GHz frekansında rezonansa girmiştir ve S11 parametresi bu noktada -44.56 dB değerini almıştır. Antenin empedans bant genişliğine bakılacak olursa giriş yansıma katsayısı ≤ -10dB için 22% (1.86 – 2.32 GHz) değerinin sağlandığı görülür. Bu frekansa bandı istenildiği gibi UMTS bandını (1900 - 2200MHz) kapsamaktadır.

S11 parametresi yanında duran dalga oranına (VSWR) da bakılacak olursa Şekil 5.8’de görüldüğü gibi 2:1 VSWR bant genişliği 23.4% (1.85 – 2.34 GHz) değerindedir. VSWR değerinin 1’e yakınsaması antenin girişinden yansıyan gücün 0’a yakınsaması anlamına gelmektedir.

Şekil 5.8: Monopol antenin VSWR grafiği

Yukarıda verilen her iki şekil de görülmektedir ki monopol anten yapısı istenilen frekans bant genişliğini yeterli düzeyde kapsamaktadır. Ayrıca S11 ve VSWR parametrelerinin f₀ =2.06 GHz rezonans frekansında aldığı değerler, besleme ile anten arasında empedans uyumunun sağlandığını göstermektedir. Bu uyum aşağıdaki Şekil 5.9’dan de rahatlıkla görülmektedir. Burada görüldüğü gibi monopol anten yapısının giriş empedans değeri f₀ =2.06 GHz rezonans frekansında

49.93 0.42

giriş

Z = − j değerindedir ve bu frekans çevresinde sanal bileşenin değeri ihmal edilebilecek kadar düşüktür. Kullanılan koaksiyel beslemenin empedans değerinin de 50 Ω olduğu düşünülürse, bu değer yaklaşık olarak

Şekil 5.9: Monopol antenin Zgiriş grafiği

Bu antenin ışıma özelliklerine bakılacak olursa kazanç Şekil 5.10 ile 3-Boyutlu halde gösterildiği gibi z-ekseni boyunca minimum (0’a yakınsamakta), x-y düzleminde ise maksimum değerini almaktadır (Maks K( )_t =3.12 dBi). Bu yapıda elde edilen ışıma diyagramı görüldüğü gibi basit monopol yapılarda gözlemlenen ışıma diyagramlarına oldukça benzemektedir.

Şekil 5.10: Monopol antenin 2.06 GHz frekansında 3-Boyutlu ışıma (kazanç) diyagramı

Tasarlanan monopol anten yapısına ilişkin E-Düzlemi ve H-Düzlemi ışıma diyagramları aşağıda sırasıyla Şekil 5.11 ve Şekil 5.12 ile gösterilmişlerdir. Şekil 5.11’deki E-Düzlemi ışıma diyagramları

ϕ

=0 , 90 ,180 , 2700 0 0 0 sabit değerleri için kazancın

θ

ile değişimini göstermektedirler.

Şekil 5.11: Monopol antenin 2.06 GHz frekansında E-Düzlemi ışıma (kazanç) diyagramları (dBi)

Şekil 5.12’deki ışıma diyagramları ise

θ

=0 , 90 ,180 , 2700 0 0 0 sabit değerleri için kazancın

ϕ

değişimini göstermektedirler.

Şekil 5.12: Monopol antenin 2.06 GHz frekansında H-Düzlemi ışıma (kazanç) diyagramları (dBi)

Aşağıdaki Şekil 5.13 üzerinde ise

ϕ

=00 için E-Düzlemi üzerinde maksimum kazanç ve 3dB ışıma bant genişliği (HPBW),

θ

=900 için H-Düzlemi üzerinde maksimum kazanç ve 3dB ışıma bant genişliği (HPBW) değerleri hesaplanmıştır. Şekil maksimumları içeren 00 ve 3600aralığında çizdirilmiştir.

Şekil 5.13: E ve H düzlemleri üzerinde

ϕ

=00 ve

θ

=900 sabit değerleri için kazancın sırasıyla

θ

ve

ϕ

açısal değerleri ile değişimi

Şekil 5.13 ile gösterilen kazanç değerlerine bakılacak olursa E-Düzlemi üzerinde 0

85

HPBW ≈ olurken (Maks K( )=2.96 dBi), H-Düzlemi üzerinde HPBW ≈3600 (Maks K( )=2.46 dBi) olmaktadır (

θ

=900 için izotropik davranış sergiliyor) . Yukarıdaki şekillerden anlaşılacağı üzere tasarlanan monopol antenin bant genişliği ve giriş empedans değerleri istenilen seviyelerde olmalarına rağmen antenin ışıma karakteristiği ve boyutları tatmin edici düzeylerde değillerdir. Monopol anten yapısı geniş bant özelliğini taşımasına rağmen maksimum kazanç değeri toplamda 3.12 dBi seviyelerde kalmıştır. Bunun yanında dikkat edilmesi gereken en önemli özelliklerden birisi olan anten boyutları, toplam yükseklik (5.2) ile hesaplanmak üzere, 107mm x 40mm x 40.2mm olmaktadır. Bu boyutlar göstermektedir ki tasarlanan monopol anten yapısı herhangi bir mobil telefon düzlemine yerleştirilemeyecek kadar büyüktür. Bu nedendendir ki eski nesil mobil telefonlarda kullanılan monopol antenler boyutlarından dolayı bu düzleme paralel yerleştirilmişlerdir.

Bu bölümde amaç UMTS bandında çalışan mobil telefonlara entegre edilecek monopol anten yapısı tasarlamak değil, sonraki bölümlerde tasarlanacak olan mikroşerit anten yapılarında, dielektrik tabaka üzerine yerleştirilen yama ile kuple şekilde çalışacak monopol yapının rezonans durumunda UMTS frekans bandındaki davranışının incelenmesi olmuştur.

5.2.4 UMTS bandında çalışan mikroşerit yama anten yapısının tasarlanması

Belgede Umts Uyumlu Cep Telefonları İçin Mikroşerit Yama Anten Tasarımı (sayfa 62-70)