ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Mustafa Celal ESKĐÇIRAK
Anabilim Dalı : Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Programı : Telekomünikasyon Mühendisliği
OCAK 2010
ÇOK DEMETLĐ ANTEN SĐSTEMLERĐ
OCAK 2010
ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Mustafa Celal ESKĐÇIRAK
(504071325)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 25 Aralık 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 22 Ocak 2010
Tez Danışmanı : Doç. Dr. Selçuk PAKER (ĐTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Cevdet IŞIK (ĐTÜ)
Prof. Dr. Hasan DĐNÇER(KOÜ)
ÖNSÖZ
Bu çalışmamda bilgisi ve deneyimi ile beni yönlendiren, sıkılmadan tüm sorularımla ilgilenen ve gerekli ekipmanları sağlayan yardımsever hocam Sayın Doç. Dr. Selçuk Paker’e ve buraya kadar gelmemde her aşamayı yaratmış olan, beni her koşulda sonuna kadar destekleyen aileme, son olarak da yüksek lisans eğitimim boyunca karşılıksız olarak finansal destek sağlayan TÜBĐTAK’a (Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu) teşekkür ederim.
Aralık 2009 Mustafa Celal ESKĐÇIRAK
ĐÇĐNDEKĐLER Sayfa ÖNSÖZ...v ĐÇĐNDEKĐLER... vii KISALTMALAR ... ix ÇĐZELGE LĐSTESĐ... xi
ŞEKĐL LĐSTESĐ ... xiii
ÖZET ...xv
SUMMARY... xvii
1. GĐRĐŞ ...1
1.1 Tezin Kapsam ve Amacı...1
1.2 Literatürdeki Çalışmalar ...2
2. TEMEL KAVRAMLAR VE TELSĐZ SĐSTEMLERDEKĐ ÖNEMĐ...5
2.1 Em Spektrum ...5
2.2 Güç Transferi ve Kayıplar ...7
2.2.1 Güç transferi ve serbest uzayda kayıplar ...7
2.3 Antenin Devre Modeli ...10
2.4 Anten Parametreleri ...11
3. MIMO SĐSTEMLER VE ÇOKLU ANTEN KULLANIMI ...21
3.1 MIMO Sistemlere Genel Bakış...21
3.2 MIMO’nun Matematiksel Đfadesi ve Sistem Yapısı ...22
3.3 MIMO Çeşitleme ve Çoklama Teknikleri ...25
3.3.1 Uzaysal çeşitleme ...25
3.3.2 Polarizasyon çeşitlemesi...26
3.3.3 Patern çeşitlemesi...27
4. ÇOK BESLEMELĐ ANTEN YAPILARI ...29
4.1 Telsiz Haberleşme Sisteminde Antenler...29
4.2 Çok Demetli Anten Kavramı ...30
4.3 Besleme Teknikleri...32
4.4 Birden Fazla Beslemeye Sahip Yalıtılmış Antenler...35
4.4.1 Çift beslemeli anten kavramı ...35
4.4.2 MIMO sistemler için anten metrikleri...37
4.4.3 Anten bağlaşımı ve izolasyonu ...39
5. ÇOK DEMETLĐ ANTEN TASARIMLARI ...43
5.1 Çift Beslemeli Anten Modeli...44
5.1.1 Çift beslemeli anten modelinin UMTS’in uplink bandına (1920-1980 MHz) uyarlanması ve benzetim sonuçları ...45
5.2 Wi-Fi Bandı Anten Modeli ...51
5.2.1 Wi-Fi bandı anten modelinin ISM bandına (2400-2483 MHz) uyarlanması ...52
6. SONUÇLAR...59
KISALTMALAR
SISO : Single Input Single Output MIMO : Multiple Input Multiple Output UHF : Ultra High Frequency
DB : Decibel
DSL : Digital Subscriber Line FSL : Free Space Loss
IEEE : Institute of Electric-Electronic Engineers HPBW : Half Power Beam Width
FNBW : First Null Beam Width WLAN : Wireless Local Area Network
WIMAX : Worldwide Interoperability For Microwave Access OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing SNR : Signal to Noise Ratio
GPS : Global Positioning System
UMTS : Universal Mobile Telecommunication System ISM : Industrial, Scientific and Medical Radio Bands VSWR : Voltage Standing Wave Ratio
PCB : Printed Circuit Board
ÇĐZELGE LĐSTESĐ
Sayfa Çizelge 2.1 : Em spektrum bandı ... 7 Çizelge 4.1 : Ticari telsiz sistemlerde kullanılan antenler... ... 30
ŞEKĐL LĐSTESĐ
Sayfa
Şekil 2.1 : Em spektrum dalgaboyları.. ...6
Şekil 2.2 : UHF sinyallerinin düşük seviyeli bir bina çevresinde sıra binalar üzerinden geçerek hareketli bir cisme kadar ulaşması . ...9
Şekil 2.3 : Verici antenin eşdeğer devresi ...10
Şekil 2.4 : Alıcı antenin eşdeğer devresi. ...11
Şekil 2.5 : Küresel koordinat sisteminde gösterilen bir anten. ...11
Şekil 2.6 : Anten patern lobları. ...17
Şekil 2.7 : Dalganın polarizasyonu:lineer,dairesel ve eliptik polarizasyon...18
Şekil 3.1 : MIMO Kanal Modeli. ...22
Şekil 3.2 : Çok girişi çok çıkışı olan herhangi bir sistem . ...23
Şekil 3.3 : Çok yollu ortamda iki farklı antenin ve birleştirilmiş durumdaki farklı frekanslarda SNR’ın frekansa göre değişimi. ...24
Şekil 3.4 : Uzaysal çeşitleme. ...26
Şekil 3.5 : Dikey ve yatay polarizasyon çeşitlemesi. ...26
Şekil 3.6 : Patern çeşitlemesi. ...27
Şekil 4.1 : Çok demetli anten sistemi. ...31
Şekil 4.2 : Besleme ve mercek konfigürasyonu. ...31
Şekil 4.3 : Mikroşerit anten biçimleri...32
Şekil 4.4 : Dikdörtgensel mikroşerit anten:mikroşerit hat,elektromanyetik bağlaşım, açıklık bağlaşım ve eşdüzlemli dalga kılavuzu, tarafından ...34
Şekil 4.5 : Çift ve tek beslemeli anten çeşitlemesi...36
Şekil 4.6 : Çift ve tek beslemeli anten ayırıcı ve birleştiricisi. ...36
Şekil 4.7 : Çift ve tek beslemeli anten için yedeklilik...36
Şekil 4.8 : Korelasyonun 1’e eşit olduğu yani iki antenin ışıma paterninin tam anlamıyla aynı olduğu durum...39
Şekil 4.9 : Korelasyonun 0’a eşit olduğu yani tamamen farklı ışıma paternine sahip olunan ideal durum. ...39
Şekil 4.10 : Düşük izolasyon yüksek bağlaşımın olduğu durum. ...40
Şekil 4.11 : Yüksek izolasyon düşük bağlaşımın olduğu durum ...40
Şekil 4.12 : Đki beslemeli yalıtılmış tek antenin tek beslemeli iki girişli anten sistemine oranla kuplajlama ve verimlilik değerlerinin gösterilmesi...41
Şekil 4.13 : Arasında “d” kadar mesafe olan iki tekil anten. ...42
Şekil 4.14 : Hesaplanmış ve benzetimi yapılmış olan iki tekil anten için korelasyon katsayısı...42
Şekil 5.1 : Microwave Office benzetim programı uygulama ekranı. ...43
Şekil 5.2 : Çift beslemeli anten modeli...44
Şekil 5.3 : UMTS bandındaki anten için S11 ve S22 parametreleri...45
Şekil 5.4 : UMTS bandındaki anten için S12 ve S21 parametreleri...46
Şekil 5.5 : UMTS bandındaki anten için korelasyon katsayısı( ρs ). ...47
Şekil 5.6 : UMTS bandındaki anten için Φ=0 durumunda ışıma paterni ( 1 nolu port uyarma portu iken ) ...48
xiv
Şekil 5.7 : UMTS bandındaki anten için Φ=90 durumunda ışıma paterni
( 1 nolu port uyarma portu iken ). ... 49
Şekil 5.8 : UMTS bandındaki anten için Φ=0 durumunda ışıma paterni ( 2 nolu port uyarma portu iken ). ... 50
Şekil 5.9 : UMTS bandındaki anten için Φ=90durumunda ışıma paterni ( 2 nolu port uyarma portu iken ). ... 51
Şekil 5.10 : Dairesel polarizasyona sahip çift beslemeli bir anten modeli... 52
Şekil 5.11 : ISM bandındaki anten için S11 ve S22 parametreleri. ... 53
Şekil 5.12 : ISM bandındaki anten için S12 ve S21 parametreleri. ... 53
Şekil 5.13 : ISM bandındaki anten için korelasyon katsayısı( ρs )... 54
Şekil 5.14 : ISM bandındaki anten için Φ=0 durumunda ışıma paterni ( 1 nolu port uyarma portu iken ). ... 55
Şekil 5.15 : ISM bandındaki anten için Φ=90 durumunda ışıma paterni ( 1 nolu port uyarma portu iken ). ... 56
Şekil 5.16 : ISM bandındaki antende θ ve Φ bileşenlerinin sağ ve sol taraf dairesel polarizasyonu için açısal değişimi( 1 nolu port uyarma portu iken)... 57
Şekil 5.17 : ISM bandındaki antende θ ve Φ bileşenlerinin sağ ve sol taraf dairesel polarizasyonu için ışıma paterni (1 nolu port uyarma portu iken)... 57
ÇOK DEMETLĐ ANTEN SĐSTEMLERĐ ÖZET
Bu tezde antenlerin temel özellikleri incelenmiş ve tek merkezli çok demetli anten sistemlerinin MIMO sistemlerinde kullanılan çok merkezli anten sistemleriyle elde edilen başarımlarının sağlanabileceğinin gösterimi hedeflenmiştir.Bu tezde asıl üzerinde durulan nokta ise tek merkezli bir antene birden fazla besleme girişi tahsis ederek çok demetli ışıma paternine sahip bir anten sistemi oluşturmaktır.
Genel bir yöntemle tezi incelediğimizde, anten parametreleri, MIMO anten sistemleri ve çeşitleme, besleme teknikleri, birden fazla beslemeye sahip antenler ve bu antenlerle ilgili yapılmış uygulamalar görülmektedir. Teorik sonuçları pratik sonuçlarla karşılaştırmak ve bu sonuçlar arasında yorum yapabilmek için iki farklı frekans bandında çalışan anten için benzetim yapılmıştır. Bu yapılan benzetimlerdeki antenlerin bir tanesi UMTS’in işaret alım bandında(1920-1980MHz) ışınım yaparken diğeri ise ISM bandında(2400-2483 MHz) ışınım yapmaktadır. Antenlere iki tane besleme portu verilerek her iki benzetim için s parametreleri, korelasyon katsayısı ve ışıma paternleri incelenmmiştir. S parametrelerine baktığımızda antenin ışıyıp ışımadığını ve bir porttan gönderilen işaretin diğer porttan gönderilen işareti etkileyip etkilemeyeceği belirlenebilir. Korelasyon katsayısının değerini hesaplayarak tasarlanan antenin ilgili frekans bandında MIMO anten performansına ulaşıp ulaşmayacağımız değerlendirilebilir. Işıma paternini incelediğimizde ise antenin hangi düzlemde ışınım yaptığı ve polarizasyon türünü belirleyebiliriz.
Giriş kısmında tezin amacı ve kapsamı incelenmiştir.Takip eden diğer bölümde ise anten parametreleri anlatılmıştır.Tezin üçüncü bölümünde ise MIMO antenlerden bahsedilmiştir.Daha sonraki bölüm çok besleme için gerekli parametreleri içermektedir.Beşinci bölümde ise örnek tasarımlar gösterilmiştir.Sonuç bölümünde ise bütün bu parametreleri inceleyip benzetim sonuçlarını birleştirdiğimizde tasarlanan antenin ilgili frekans bandındaki performansını yorumlamak mümkündür. Bu sayede tek bir antende birden fazla besleme portu kullanarak MIMO sistem performansına nasıl erişilebildiğini anlayabiliriz.
MULTI BEAM ANTENNA SYSTEMS SUMMARY
In this thesis, the basic properties of the antennas are examined and it’s purposed that the indication of the performance which is acquired from multi centered antenna systems that is used in MIMO systems can be equal with one centered multi beam antenna system.The main emphasized point is to constitute an antenna system which has multi beam radiation pattern, by providing more than one feed to one centered antenna.
When we analyze the thesis as a common way, antenna parameters, feeding techniques, the antennas which has more than one feed and the application of those antennas are seen. In order to compare theoric results with practical results and to be able to interpret between these results, the antennas which are radiating in different frequency bands are simulated. One of the antennas in these simulations which radiates in the UMTS uplink band(1920-1980 MHz) while the other one radiates in ISM band(2400-2483MHz). By providing two feed ports to antennas, s parameters, correlation coefficient and the radiating patterns are examined for each of the two simulation. When we study s parameters it can be determined that the antenna either radiates or not and the signal which is sent from one port to another either effects each other or not. By calculating the value of the correlation coefficient, it can be evaluated that we can either reach or not the MIMO antenna performance in the related frequency band of designed antenna. When we examine the radiation pattern we can determine in which plane that the antenna radiates and the which polarization type that the antenna has.
At the introduction chapter the purpose and the concept of thesis is examined.In the following chapter, antenna parameters are mentioned.In the third chapter of the thesis, MIMO antennas are talked about. The next chapter includes the parameters which are necessary for multi feeds. In the fifth chapter the sample designation are indicated.In the final chapter, when we examine and combine all the simulation results, it is possible to interpret the antenna performance in the related frequency band. Thanks to this, by providing more than one feed in one antenna, we can see how it can be reached to the MIMO performance.
1. GĐRĐŞ
1.1 Tezin Kapsam Ve Amacı
Telsiz haberleşme hizmetlerinin son yıllarda kullanım oranının hızlı bir şekilde artış göstermesi daha hızlı ve kaliteli ve daha verimli band genişliği kullanım gereksinimlerini beraberinde getirmiştir ayrıca telsiz çoklu ortam teknolojisinin son yıllarda bu denli gelişimi, telsiz haberleşme sistemlerinin kapasitesini ve güvenilirlik gereksinimlerini de arttırmıştır. Kanal kapasitesindeki kısıtlamalardan dolayı alışılagelmiş SISO sistemlerle bu gereksinimleri karşılamak oldukça zordur. Alıcı ve verici çeşitlemesini sağlayan MIMO sistemler kullanarak bu gereksinimlerin iyileştirilebilmesi mümkün olabilmektedir.
MIMO anten sistemi, telsiz haberleşme sisteminin performansını arttıran en bilindik yöntemdir. Telsiz taşınabilir cihazlarda MIMO anten sistemini oluşturmak için çok küçük bir alana iki veya daha fazla alıcı/verici anten yerleştirilmesi gerekmektedir. MIMO anten yapısını kullanan gezgin bir terminal düşünülecek olursa, yakın antenler arasında MIMO anten performansını etkileyecek bir bağlaşma veya kuplajlama görülebilir. Bu ise gezgin terminalde sadece anten boyutunun değil de ayrıca anten dizisinin bulunacağı yerin de önemli olduğunu göstermektedir. Anten dizisinin yerinin önemi, antenlerin ışıma demetlerinin farklı yerlere bakmasıyla doğrudan ilintilidir.
Bu çalışmada birden fazla anten içeren MIMO yapısını kullanıp patern çeşitlemesi sağlamak yerine tek merkezli bir antene birden fazla farklı besleme verilip, iki portun ışıma demetlerinin farklı olmasını sağlayarak bu çok beslemeli antenin performansının MIMO sistemindeki gibi birden fazla anten kullanılan bir sistem içerisindeki kullanılabilirliği incelenecektir. Performans olarak MIMO sistemlerde kullanabilmek için tasarlanan antenin besleme portlarının düşük korelasyona ve yüksek izolasyona sahip olması gerekliliği analiz edilecektir.
2
Birden fazla demet oluşturabilmek anten dizileri kullanarak da mümkün olabilirdi fakat yaptığımız bu çalışmada böyle bir yöntem kullanılmamıştır. Onun yerine bir antene birden fazla besleme portu vererek çok demetli anten tasarlama yoluna gidilmiştir. Tasarlanacak olan antenler UMTS’in alıcı(uplink) bandında ve ISM bandında olup başka bandlarda boyutlandırılarak tasarlanabilir. Ayrıca anten yapısı PCB düzende olup diğer elektronik baskı devreleriyle bütünleşebilecek yapıda olması durumu incelenecektir.
1.2 Literatürdeki Çalışmalar
Telsiz cihazların hızlıca artmasıyla e-posta, dünya çapında internet erişimi, isteğe bağlı video izleme ve video akışı gibi veri servislerinde bir hız artışına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle kesilme,gecikme ve veri karışımı olmadan çalışan güvenli sistemlere erişim sağlanmalıdır. Bu noktada çok giriş çok çıkış dediğimiz MIMO sistemler devreye girmektedir. MIMO kapsamında son zamanlarda gelişen bir antene birden fazla besleme verilerek çoklu anten sistemi performansına tek anten vasıtasıyla erişmek istenmektedir. Literatürde bu tip çalışmalar incelendiğinde karşımıza ilk çıkan kavram çift beslemeli bir antenin tasarlanma şeklidir. Bir anten tasarlandığında ilk önce s parametrelerine bakılarak antenin ışıyıp ışımadığı, iki besleme portu arasında bir ilişki(korelasyon) olup olmadığı, gibi kavramlar ele alınmıştır [17].
Yapılmış olan başka bir çalışmada ise yalıtılmış anten teknolojisi adı altında çift beslemeli bir anten tasarlanmış olup s parametreleri,korelasyon katsayısı, ve antenin ışıma paternleri incelenmiş olup bir antene çift besleme verilerek 2.45 GHz bandında MIMO sistemi performansına erişilmiştir [15].
Başka bir çalışmada ise çift beslemeli anahtarlama-demetli yama anten dizileri için bir tasarım örneği gerçekleştirilmiş olup başarım açısından MIMO sisteme yaklaşılmıştır [18].
Yine yapılmış olan başka bir çalışmada çift beslemeli bir antende iki port arasındaki korelasyonun çıkarılışı üzerinde durulmuştur [19].
Bir diğer çalışmada ise mikro uydular için herhangi bir X bandında yatay bağlaşımlı yama anten için çift beslemeli anten tasarlanıp sonuçlar incelenmiştir [20].
2. TEMEL KAVRAMLAR VE TELSĐZ SĐSTEMLERDEKĐ ÖNEMĐ
2.1 EM Spektrum
Elektromanyetik spektrum binlerce kilometreden atomaltı uzunluklara kadar geniş bir yelpazedeki dalgaboylarında ışınımları kapsar. Radyo dalgaları ve optik dalgalar bu ışınımlardan sadece ikisidir. Işık insanlar tarafından görülebilmektedir fakat radyo dalgaları görülememektedir. Tüm spektrum birçok frekans bandına bölünmüştür. Frekans bandı radyo haberleşmesinin verimliliğini tahmin etmek için kullanılan temel kavramdır. Her yayılma kanalı için en iyi frekans bandı her haberleşme kanalının gereksinimleri ve radyo dalgalarının yayılma şartları tarafından belirlenir ve sınırlandırılır.
Tüm spektrum sonsuz olsa da, kullanışlı olan spektrum sınırlandırılmıştır ve UHF gibi bazı frekans bandları halihazırda çok kullanılmakta olup sıkışmalar söz konusudur. Normalde önemli bandları kullanmak için belli bir ücret ödeme söz konusudur fakat ISM dediğimiz endüstriyel, bilimsel ve medikal için kullanılan bandlar bir ücret ödemeyi gerektirmez. 433 MHz ve 2.45 GHz bandı bunlara örnektir. Kablo operatörleri bu bandlar için hehangi bir lisans ücreti ödemezler fakat yol kazımaları veya kabloların döşenmesi gibi işlemler için elbette ki bir ücret öderler.
Elektromanyetik dalga boyu λ [m] frekansa aşağıdaki eşitlik ile bağlıdır. Şekil 2.1’de λ ise dalgaboyunu göstermektedir [4].
f c = λ [m] (2.1)
6
Şekil 2.1 : Em spektrum dalgaboyları
V ile belirtilen değer elektromanyetik dalganın hızı boşlukta ışık hızına ( c=3*108 m/s)ve f ise frekansı göstermekte olup birimi Hz’dir.Yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar yüksek enerjiye ancak kısa dalgaboyuna, düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar ise düşük enerjiye ancak uzun dalgaboyuna sahiptirler. Görünür ışık veya başka bir elektromanyetik türü belli bir madde içerisinde yaratılır veya içerisinden geçerse (örneğin atmosfer) bu ışınımın dalgaboyu düşecek, dolayısıyla frekansı yükselecektir.Bu değişiklikten dolayı, ışınımların elektromanyetik tayf değerleri ile ilgili rakamsal bilgiler verilirken genellikle söz konusu ışınımlar uzaydaki (boşluk) sayısal değerleri ile ifade edilir [4]. Çizelge 2.1’de frekans bandları gösterilmiştir.
Çizelge 2.1 : Em spektrum bandı
Frekans Band Dalgaboyu Uygulama
3-30 KHz VLF 100-10 km Navigasyon,sonar,faks 30-300 KHz LF 10-1 km Navigasyon 0,3-3 MHz MF 1-0,1 km AM Yayın 3-30 MHz HF 100-10 m Telefon,faks,CB,deniz haberleşmesi 30-300 MHz VHF 10-1 m Tv,fm yayın
0,3-3 GHz UHF 1-0,1 m Tv,gezgin haberleşme,radar
3-30 GHz SHF 100-10 mm Radar,uydu,gezgin haberleşme
30-300 GHz EHF 10-1 mm Radar,telsiz haberleşme
0,3-3 THz THZ 1-0,1 mm THz görüntüleme
2.2 Güç Transferi ve Kayıplar
2.2.1 Güç transferi ve serbest uzayda kayıplar
Serbest uzaydaki kayıp frekansın karesi, uzaklığın karesi ve bir sabitin toplamına bağlı olan bir fonksiyondur. Đzotropik bir verici antenden ışınan gücün PT olduğunu varsayalım. Bu anten her yöne eşit olarak ışınım yapmaktadır. Merkezi bu kaynağın içinde ve yarıçapı d olan bir küre ele alalım. Kürenin herhangi bir yüzeyindeki güç yoğunluğu aşağıdaki gibi ifade edilir.
2 d 4Π = T d P P [w] (2.2)
Kürenin yüzeyinde verici anten için AR gibi verimli bir alanı düşünecek olursak,alınan güç aşağıdaki gibi karşımıza çıkacaktır.
2 4 . d A P PR T R Π = [w] (2.3)
8
Kürenin yüzeyinde alıcı anten için AT gibi verimli bir alanı düşünecek olursak anten kazancı ise aşağıdaki gibi elde edilmektedir.
4 2 λ T T A g = Π Kazanç (2.4)
Bu değerleri yerine koyarsak, alınan gücü gönderilen güce bağlamış oluruz.
2 2 4 4 . d A A P P T R T R Π Π = λ [w] (2.5) gT ve gR yi de yerine koyarsak; aşağıdaki gibi bir bağıntı elde ederiz.
2 2 2 2 2 2 4 4 4 . d A A P P T R T R Π Π Π = λ λ λ [w] (2.6) 2 2 2 2 4 . . d g g PT T R Π = λ [w] (2.7)
Bu kısımda gR ise alıcı antenin izotropik antene göre kazancını göstermektedir.
4 2 λ R R A g = Π Kazanç (2.8)
Logaritmik eksene geçtiğimizde ise iki gücün birbiri cinsinden ifadesi ise aşağıdaki gibi karşımıza çıkar.
T R R T d g g P P log . 10 log . 10 4 log . 20 log . 10 = Π − − λ [dB] (2.9)
Bu oran ise bize serbest uzay yol kaybını vermektedir [5].
Serbest Uzay Yol kaybı(FSL) =
λ d Π 4 log . 20 [dB] (2.10) veya; λ d FSLdB =21.98+20.log [dB] (2.11)
olarak ifade edilmektedir. Bu ifadeyi biraz daha açtığımızda frekansı Mhz ve de uzaklığı km cinsinden düşünüp sadeleştirmeleri yaptığımızda serbest uzay yol kaybı; aşağıdaki gibi elde edilir.
FSLdB =32.45+20.logDkm +20.logFMHz [dB] (2.12)
Şekil 2.2:UHF sinyallerinin düşük seviyeli bir bina çevresinde sıra binalar üzerinden geçerek hareketli bir cisme kadar ulaşması.
Binaların bu modelini kullanarak, ortalama yol kazancını [dB] cinsinden Şekil 2.2’de aşağıdaki üç parametre ile ifade edilebilmekteyiz.
PGdB =10.logPG0 +10.logPG1+10.logPG2 [dB] (2.13)
Burada PG0 izotropik antenler için alınan gücün ışınan güce oranı olarak tanımlanan ve aşağıdaki gibi ifade edilen serbest uzay yol kaybıdır.
2 2 0 ) 4 ( R PG Π = λ [dB] (2.14)
γ
; Dalga boyuR ; Baz istasyonundan gezgin ekipmana kasar olan yatay ayırım mesafesi
PG1 ; Gerideki binalardan geçen kırınım sonucunda,gezgin aboneye yakın binalara ulaşan alan zayıflaması
PG2 ; Çatı tepelerinden toprağa kadar olan kısımda oluşan kırınımların ürettiği alan zayıflaması, olarak düşünülebilir [3].
10 2.3 Antenin Devre Modeli
Antenler, boşlukta(serbest uzayda) yayılan elektromanyetik dalgalar ve devrelerdeki kılavuzlanmış dalgalar arasında çevirici veya dönüştürücü olarak görev yaparlar.Bu özelliğe bağlı olarak telsiz haberleşme sistemlerinde önemli bir rol oynarlar.
Küçük ve daha küçük cihazlarda ses veya veri ileten gezgin telsiz hizmetlerin artmasıyla, taşınabilir bir birim için anten tasarlama olayı gün geçtikçe daha merak uyandıran bir boyut kazanmıştır. Bu tasarım işlemini gerçekleştirirken sadece işlemsel gereksinimler değil ayrıca estetik anlamda boyut, sınırlama gibi gereksinimlerde göz önünde tutulmaya başlanmıştır. Sonuç olarak mühendisler tüm istekleri karşılayan ayrıntılı bir tasarım yaparken; teorinin özümsenmesi, benzetim ve deneysel araştırma gibi kavramlara varmaktadır. Şekil-2.3 ve Şekil-2.4’te antenin alıcı ve verici eşdeğer devreleri gösterilmektedir [1].
2.4 Anten Parametreleri
Şekil 2.5 de görüldüğü gibi küresel koordinat sistemine yerleştirilmiş bir anteni düşünelim. Yeterince büyük bir r yarıçapına sahip küresel bir kabuk üzerinde gözlem yaptığımızı varsayalım. Bu durumda anten parametreleri aşağıdaki gibi şekillenir;
o R P P = η (2.15)
Yukarıdaki ifadelerden yansıma katsayısını gösterebiliriz [5]. P0 : Alınan güç, [watt]
Pr : Yayılan güç, [watt]
12
Işıma yoğunluğu ise, Φ(θ,φ) = r2. P(θ,φ) olup birimi watt/steradian dır. Işıma yoğunluğu katı açı başına bir antenden yayılan güç olarak tanımlanır ve bir uzak alan parametresidir. P(θ,φ) = Güç yoğunluğu [watt/m2]’dir.
Eğer r çok çok büyük olursa Φ, r’den bağımsız olacaktır.r’nin bağımsız olması uzak alan bölgesinin bir özelliğidir. Antende ışınan toplam güç;
∫
∫
Π Π = 0 2 0 . . sin ). , (θ ϕ θ θ ϕ φ d d Pr [w] (2.16)olarak ifade edilir, ortalama ışıma yoğunluğu ise aşağıdaki gibi ifade edilir [5].
Π = 4 r ort P φ [w/m] (2.17)
D(θ,φ) yönelticilik olarak gösterilir ve birimsizdir. Yönelticilik bir antenden belirli bir yöne ışınan gücü ölçmeye yarar. Bir antenin yönelticiliği, belirli bir yönde elde edilmiş olan ışınan gücün izotropik antenin gücüne oranıdır. Genel olarak antenin ana lobunun yönelticiliği ile ilgilenilmektedir. Bu sebeple yönelticiliği 100 denen anten için hemen ana lobunun yönelticiliğinin 100 olduğu düşünülür. Yönelticilik ise denklem (2.18)’de gösterilmiştir.
Π = = 4 / ) , ( ) , ( ) , ( r ort p D ϕ θ ϕ ϕ ϕ θ φ ϕ θ birimsiz (2.18)
G(θ,φ) ifadesi ise kazanç kavramını belirtir ve birimsizdir. Kazanç parametresi her ne kadar yönelticilikle yakından ilişkili olsa da, yönlendirme becerilerinin yanı sıra verimlilikle alakalı olan bir ölçüdür.
G(θ,ϕ)=η.D(θ,ϕ) birimsiz (2.19) Π = 4 / ) , ( . ) , ( r P G θ ϕ ηφ θ ϕ birimsiz (2.20) Π = 4 / ) , ( ) , ( o P Gθ ϕ φ θ ϕ birimsiz (2.21)
Burada önemli olan bir nokta antenin kayıpsız olma durumudur ki, bu durumda yönelticilik ve kazanç birbirine eşit çıkacaktır. Başka bir deyişle η=1’dir.
Güç yoğunluğu ise denklem (2.22)’de olduğu gibi ifade edilir.
2 2 4 ). , ( ) , ( ) . ).( . ( . ). , ( ) , ( r P G r r r P o Π = = ∆ ∆ ∆ ∆ = φ θ ϕ θ ϕ ϕ θ ϕ θ ϕ θ φ ϕ θ [w/m2] (2.22)
Demet genişliği, patern maksimumunun ters taraftaki iki aynı noktanın arasındaki açısal farktır. Anten paterninde birçok demet genişliği vardır. Bunlar içinde en çok kullanılan IEEE tarafından tanımlanmış olan yarım güç demet genişliğidir (HPBW). Bir diğer önemli demet genişliği ise paternin ilk 0 ları arasındaki açısal fark olan ilk 0 demet genişliğidir(FNBW). Demet genişliğinin kullanıldığı en önemli alan, ışınım yapan iki komşu veya yakın kaynağı tespit edebilmektir [6].
Toplam anten verimi olan e0 anten yapısıyla giriş terminallerindeki kayıpları ifade edebilmek için kullanılır. Bu tip kayıplar; iletim hattı ve anten arasındaki uyumsuzluk ve dielektrik kayıplarından oluşmaktadır. Genel olarak aşağıdaki eşitlik geçerlidir. eo =er.ec.ed birimsiz (2.23) e0=toplam verim(boyutsuz) er=yansıma verimi(boyutsuz)=1-η2 ec=iletim verimi(boyutsuz) ed=dielektriki verim η=yansıma katsayısı
Genel olarak ec ve ed yi hesaplamak çok zordur ve deneysel olarak hesaplanırlar.Denklem (2.24) ve (2.25)’de gösterilmiştir [6].
ecd =ec.ed (2.24) . (1 2) η − = = r cd cd o e e e e (2.25)
Antenin bandgenişliği antenin performansını içeren frekans aralıkları olarak tanımlanır.
14
Bu frekans aralıklarının içinde merkez frekans diye bir frekans belirlenir ki bu frekansta anten parametreleri(giriş empedansı, ışıma paterni, demet genişliği, polarizasyon, kazanç)kabul edilebilir değerdedir.
Geniş band antenler için, band genişliği genellikle kabul edilebilir bir işlemde yüksek bir frekansın düşük bir frekansı oranı olarak açıklanabilir. Örneğin 10:1 bandgenişliği olan bir antende yüksek frekans düşük frekanstan 10 kat daha büyüktür denilebilir. Dar bandlı antenler için ise,band genişliği yüksek frekanstan düşük frekansın çıkartılması yolu ile bulunur. Örneğin %5 gibi bir band genişliği demek kabul edilebilir bir işlemde merkez frekanstan %5 kadar fark olması gerektiğini gösterir [6].
Giriş empedansı antenin terminalleri tarafından temsil edilen empedans veya bir çift terminaldeki gerilimin akıma oranı olarak ya da herhangi bir noktada elektrik uygun bileşenlerinin manyetik uygun bileşenlere oranı olarak tanımlanır. Bu kısımda genel olarak antenin girişinde olan bir çift terminaldeki empedans ile ilgileneceğiz. Hiçbir yük yokken bu terminallerdeki gerilimin akıma oranı denklem (2.26) ile ifade edilir.
ZA =RA + j.XA [ohm] (2.26)
Burda ZA=a-b terminalleri arasındaki empedans, RA=a-b terminalleri arasındaki direnç XA ise yine a-b terminalleri arasındaki reaktans olarak tanımlanmıştır. Genel olarak dirençsel kısım Rr ve RL den oluşmaktadır [6].
RA = Rr +RL [ohm] (2.27)
Rr=Antenin ışıma direnci
RL=Antenin kayıp direnci olarak tanımlanır.
Antene empedansı Zg olan bir kaynak bağlı gibi düşünürsek (2.28)’de gösterilen ifade karşımıza çıkar.
Böyle bir modelle karşı karşıya kalırız. Burada Rg kaynağın direnci Xg ise kaynağın reaktansıdır. Anten verici modda çalışırken antenden maksimum güç gönderebilmek için denklem (2.29) ve (2.30) eşitliklerinin sağlanması gerekmektedir [6].
Rg = RR+RL [ohm] (2.29) XA =−Xg (2.30)
Đletim hattının alıcı veya verici tarafından empedans uyumluluğu gerçekleşmezse yansıyan güçten dolayı sistemde zayıflama söz konusu olur. Giriş empedansı bazı iletim hatlarıyla veya hattın karakteristik empedansı olan Z0 yardımıyla ölçülür .Bu iki empedans eşit değilse, gerilim yansıma katsayısı diye ifade edilen η kavramı karşımıza çıkar.Buna göre denklem (2.31) ile ifade edilir.
0 0 Z Z Z Z A A + − = η birimsiz (2.31)
ZA antenin empedansı Z0 ise karakteristik empedanstır. Bir iletim hattında giden ve yansıyan dalga olmak üzere iki adet yayılan dalga bulunmaktadır. Bu dalgaların genliklerinin maksimum ve minimum olduğu noktalar vardır [7].
Vmaks =(1+|η|).Vi [v] (2.32) Vmin =(1+|η|).Vi [v] (2.33)
Genlik değerleri yukarıda gösterilmiştir. Bu kısımda Vi ile gösterilen giriş gerilimidir. Genliğin maksimum ve minimum değerlerinin birbirine oranı ise duran dalga oranı diye bilinen VSWR kavramını oluşturmaktadır. Bu kavram ise denklem (2.34) ile ifade edilir.
min V V V maks SWR = birimsiz (2.34)
Yansıyan güç Vi2.|ρ|2/Z0, giden dalganın gücü ise Vi2./Z0 ile ifade edilmektedir. Yansıyan dalganın gücünün giden dalganın gücüne oranı ise |ρ|2 değerini verir ki bu da dönen güç oranı olarak bilinir. Bu değerin 20 logaritması alınırsa dönüş kaybı dediğimiz kavram elde edilir.
16
Bu kavram ise denklem (2.35) ile belirtilmiştir [7].
RL =−20.logη [dB] (2.35)
Anten ışıma paterni veya anten paterni antenin ışıma özelliklerinin grafiksel gösterimi veya matematiksel fonksiyonu olarak uzay koordinatları cinsinden tanımlanmasıyla oluşur. Birçok durumda,ışıma paterninin uzak alan bölgesinde olduğu belirlenir ve yönlü koordinatların fonksiyonu olarak ifade edilir. Işıma özellikleri güç akış yoğunluğu,ışıma yoğunluğu, alan bölgesi, yönelticilik, faz ve polarizasyonu içermektedir. En çok üzerinde durulan ışıma özelliği, ışınan enerjinin iki ya da üç boyutlu uzaysal dağılımının gözlemci konumunun bir fonksiyonu olarak bir yol boyunca veya sabit yarıçap yüzeyi boyunca ne derece değişip değişmediğidir. Sabit bir yarıçapta alınan elektrik veya magnetik alanın işareti genlik alan paterni olarak ifade edilir. Öte yandan,sabit bir yarıçap boyunca uzamsal çeşitliliğin grafiği genlik güç paterni adını almaktadır. Daima alan ve güç paternleri maksimum değerlerine ilişkin olarak normalize edilir ve normalize alan ve güç paternlerini içerir. Ayrıca güç paterni genel olarak logaritmik eksende çizilmektedir. Logaritmik eksen detayların üzerinde daha çok durabilmektedir, daha sonra minör loblardan bahsederken bu özellik çok kullanışlı olacaktır [6].
Paternin gücünün yarıya düştüğü noktaları bulmak için (-3dB), alan paterninde maksimum değerinin 0.707’ye düştüğü nokta, güç paterninde ise 0.5’e düştüğü nokta logaritmik olarak çizilen güç paterninde ise -3dB’e düştüğü nokta tespit edilmektedir. Tüm üç paternde yarım güç noktaları arasındaki açısal ayrımın 38.640 olduğunu göstermektedir. Pratikte, üç boyutlu patern birçok iki boyutlu paternin ölçülmesi ve kaydedilmesiyle oluşturulur. Yine de,birçok pratik uygulama için, θ fonksiyonu olarak ve bazı belirli Φ değerleri için olan çizimler ve tam tersi bilgiler ihtiyaç duyulan birçok önemli bilgiyi elde etmemizi sağlar [6].
Işıma paterni lob denilen çeşitli parçalardan oluşmaktadır. Bunları ana lob, yan lob, küçük lob ve arka lob olarak sınıflandırabiliriz. Şekil 2.6 da bu lobları görmekteyiz.
Şekil 2.6 : Anten patern loblar [6]
Ana lob maksimum ışıma olan yöndeki lob olarak tanımlanır. Küçük lob ise ana olmayan bütün lobları kapsamaktadır. Yan lob ise istenen yön haricinde oluşan herhangi bir lobtur. Arka lob ise antenin huzmesiyle 1800 açı yapan lobtur.
Đzotropik ışın yayıcı,tüm yönlere eşit ışınım yapan kayıpsız bir anten olarak tanımlanır. Đdeal olmasına rağmen fiziksel olarak gerçeklemek mümkün değildir. Gerçek antenlerin yönelticilikleri için referans alınmaktadır. Bu antenin paterni ise izotropik paterndir. Yönlü anten ise belirli bir yöne elektromagnetik ışınımları daha çok yapan antendir. Bu antenin paterninede yönlü patern denilir. En popüler yöntem ise çokyönlü paternlerdir. Azimut paterni çembersel, düzey paterni yatay yönlerdeki kazancı yükseltmek için yönlüdür [6].
18
Belirli bir yönde verilmiş olan antenin polarizasyonu anten tarafından ışınan dalganın polarizasyonu olarak veya yayılan elektromanyetik dalganın elektrik alan bileşeninin yönü olarak tanımlanır. Polarizasyonun yönü söylenmemiş ise maksimum kazancın olduğu yönde bir polarizasyon olduğu anlaşılır. Pratikte ışınan enerjinin polarizasyonu antenin merkezinin yönüne göre değişiklik gösterir bu nedenle ışıma paterninin farklı kısımları farklı polarizasyona sahip olabilir [6].
Yayılan bir dalganın polarizasyonu ise “Zamanla değişen yönü tanımlayan elektromanyetik dalga ve elektrik alanının ilişkili büyüklüğü, özellikle, uzayda sabit bir yönde vektörün sınır değeri tarafından zamanın fonksiyonu cinsinden izlenen şekil” olarak tanımlanır. Polarizasyon anlık elektrik alan vektör dizisinin son noktası tarafından izlenen eğri olarak düşünülebilir [6].
Lineer Polarizasyon ise uzayda belirli bir yönde elektrik ve manyetik alan bileşenin zamanın her anında aynı yönde doğrusal bir şekilde yayıldığı polarizasyon çeşididir. Ya sadece bir adet bileşenden oluşur ya da iki adet dik bileşenden oluşup bileşenlerin arasında 1800 faz farkı olur [8].
Yeryüzüne geliş açısına göre lineer polarizasyon yatay ve dikey olmak üzere ikiye ayrılır. Yeryüzünün yüzüne geliş açısı dik ise dikey polarize,paralel ise yatay polarize olarak ifade edilmektedir. Şekil 2.7 polarizasyon çeşitlerini göstermektedir [9]
Dairesel Polarizasyon; uzayda verilmiş bir noktada elektrik veya manyetik alan bileşeninin zamanın bir fonksiyonu olarak izlediği yol dairesel ise bu polarizasyon dairesel polarizasyondur. Bu polarizasyonu sağlayan gerekli şartlar ise; alan bileşenleri iki tane, birbirine dik ve lineer olması gerekliliği, iki bileşenin büyüklüğüünün aynı olması ve iki zaman bileşeni arasında 900 ve 900’nin tek katları şeklinde faz farkı olması gerekliliğidir [6].
Eliptik Polarizasyon; uzayda elektrik veya manyetik alan vektörünün son kısmının izlediği yol biçimsel olarak eliptik olan dalganın polarizasyonu ise eliptik polarizasyondur. Herhangi bir dalga lineer veya dairesel değil ise eliptik polarizasyona sahiptir. Eliptik polarizasyon için gerek ve yeter koşullar ise; alan bileşeninin iki tane, birbirine dik ve lineer olması gerekliliği (bileşenlerin büyüklükleri aynı yada farklı olabilir) ve eğer bu iki bileşenin büyüklüğü aynı değilse aralarındaki faz farkı 0o olmamalıdır, büyüklükleri aynı ise aralarındaki faz farkı 90o ve 90o’nin tek katları kadar olmamalıdır [8].
3. MIMO SĐSTEMLER VE ÇOKLU ANTEN KULLANIMI
3.1 Mimo Sistemlere Genel Bakış
Çok girişli çok çıkışlı sistem (MIMO) teknolojisi kablosuz yerel alan ağları için çok düşük maliyetlerle yüksek bir performans kazancı sunmaktadır. Alıcı kısmında çok girişi olan verici kısmında ise çok çıkışı olan her sistem MIMO olarak bilinir ancak her iki tarafta çeşitli farklı radyo teknikleri kullanılabilir. Bu tekniklerin bazıları günümüzün kablosuz alan ağlarına tam uyumlu iken bazıları ise varolan ekipmanı kullandığında yeterli performansı sağlayamadığı gözlenmektedir [12].
Çünkü MIMO teknolojisi için endüstri standartlarının sonlanması birçok yıl almıştır. MIMO sistemin faydaları, MIMO tekniklerinin günümüz ekipmanlarıyla ve kişisel isteklerle son derece uyumlu olması kablosuz yerel alan ağı kullanıcıları ve ekipman sağlayan firmalar tarafından istenen bir uygulamadır [12].
MIMO kavramı hem tel hatlı sistemler hem de telsiz sistemler için birçok yıldır gelişen bir teknolojidir. Đlk çıkan telsiz MIMO uygulaması Bell Laboratuarın’da Jack Winters tarafından 1984 yılında yapılmıştır. MIMO için bu öncü hareket, verinin aynı frekans/zaman kanalında çok kullanıcıdan alıcı ve verici kısmında çoklu anten kullanılarak iletileceğini göstermiştir. Daha sonra çeşitli akademisyen ve mühendisler MIMO alanında kaydadeğer uygulamalar yapmıştır.
Birçok WLAN, WI-MAX ve hücresel hizmet veren şirketler, MIMO tabanlı çözümler önermektedir. Çoklu anten sistemlerini içeren halihazırda uygulamalar; 3G hücresel sistemler ve çoklu telefon hatlarıyla DSL teknolojisi olarak göze çarpmaktadır [12].
22
3.2 Mimo’nun Matematiksel Đfadesi Ve Sistem Yapısı
Mimo sistemlerde, bir verici çok sayıda verici anten kullanarak çoklu işaretler göndermektedir. Bu gönderilen işaretler, alıcı tarafta çoklu alıcı, verici tarafta ise çoklu verici antenler arasında çoklu yollardan oluşan bir matris kanalı boyunca ilerler.Sonra, alıcı kısım alıcı antenler vasıtasıyla işaret vektörlerini alır ve alınan bu işaret vektörlerini asıl bilgiye dönüştürecek şekilde kod çözme işlemi uygular. Şekil 3.1’de bir MIMO kanal modeli gözlenmektedir.Denklem (3.1)’de kanal modeli ifadesi gösterilmiştir.
y=H.x+n (3.1)
Yukarıdaki eşitliğe göre bileşenler aşağıda tanımlanmıştır. y : Alınan işaretin vektörü
x : Đletilen işaretin vektörü H : Kanal matrisi
n : Gürültü vektörü
Şekil 3.1 : MIMO Kanal Modeli
MIMO sistemlerde kanal kapasitesi ise denklem (3.2)’de gösterilmiştir.
log2.det( . ) H T NR H H N I C= + γ [bit/sn/Hz] (3.2)
Bu kısımda C kanal sığası veya kapasitesi, NR alıcı anten sayısını NT verici anten sayısını göstermektedir. γ alıcı anten başına düşen ortalama işaret gürültü oranıdır ve gönderilen toplam güç E[xxH]’nin NT verici antene eşit olarak bölünmesi ile bulunur.
INR ise NRxNR boyutlu birim matristir. H ise bileşenleri rasgele olarak gelen kanal matrisidir.HH kanal matrisinin eşleniğinin devrik matrisi olarak bilinmektedir [14]. MIMO sistemlerdeki “çoklu giriş” terimi bir WLAN cihazının eşzamanlı olarak çoklu verici antene iki veya daha fazla radyo işareti göndermesi anlamına gelmektedir. “Çoklı çıkış” ise çoklu alıcı antenlerden gelen radyo işaretleri alması anlamına gelmektedir. Şekil 3.2’de bu sistem gösterilmiştir.
Şekil 3.2 : Çok girişi çok çıkışı olan herhangi bir sistem [12].
Giriş ve çıkış görünüş olarak ters olarak da düşünülebilir, fakat MIMO terminolojisi antenler yardımıyla hava arayüzü yerine sistem arayüzünü tek bir noktada toplamaktadır. Terminoloji her ne olursa olsun, MIMO’nun temel avantajı basit olarak anlaşılmaktadır; çoklu antenler daha çok işaret alır ve gönderirler.
Aslında MIMO sadece bu kavramlardan ibaret değildir. Alıcı kısımda örneğin, alıcı sayısının çok olması sadece alınan gücün miktarını arttırmakla kalmayıp ayrıca her frekans bileşeni için ayrı olarak alınan işaretleri birleştirerek çok-yollu olma problemlerini azaltır. Bu süreç alt taşıyıcı tabanlı maksimum alıcı birleştirmesi olarak bilinmektedir. Özellikle çok yollu yayılmanın olduğu çevrede tüm kazancı ciddi manada arttırmaktadır. Bu gibi ortamlarda, işaret direk geçer ve çeşitli nesnelerden yansır, bu nedenle farklı işaret karakteristikleri iki alıcı antene ulaşır. Bazı frekanslar sadece bir antende zayıflamaya eğilimlidir, diğer antenlerde ise değildir.Şekil 3.3’te farklı iki anten ve bu iki antenin OFDM frekans değişimine göre SNR başarımı incelenmiştir.
24
Şekil 3.3 : Çok yollu ortamda iki farklı antenin ve birleştirilmiş durumdaki farklı frekanslarda SNR’ın frekansa göre değişimi
Her frekansta antenlerden gelen işaretleri birleştirerek, maksimum alıcı birleştirme gücünü arttırmış oluruz.Đşaretlerin benzer güce sahip olduğu frekanslarda, alıcı işaret güçlerini seçici bir şekilde birleştirir, böylece sadece iki anten kullanırken bile işaret gücünü iki kattan daha fazla bir oranda arttırmış oluruz.
Alıcı birleştirmesinin anten çeşitlemesiyle karıştırılmaması gerekir. Çeşitleme, seçici işaret bileşenleri güce dayalı olduğu farklı frekanslarda veya çoklu antenden gelen toplanmış işaret gücünü içermez. Anten çeşitlemesi olan bir alıcı, ortalama olarak en iyi performansı veren bir anteni seçer ve diğerlerini kullanmaz. Çok yönlü performans kuralına dayalı anlık değişen performansın en iyi olduğu anteni seçip bu anten dizisini kullanarak kontrol algoritmalarıyla bu tekniği uygulamak mümkündür. Sistemler anten çeşitliliğin bu yönünü, temel ve/veya çeşitliliği gibi,maksimum alıcı birleştirmesine ek olarak kullanabilir.
Bu kısımda önemli olan;vericinin alıcı birleştirme kapasitesinden faydalanmasının MIMO teknolojisinin ihtiyaç duymadığı bir durum olmasıdır. Erişim noktaları, ev ağ geçitleri, masaüstü ve dizüstü bilgisayarlar MIMO teknolojisi ile tam uyumludur. Bazı diğer tekniklerin aksine, alıcı birleştirmenin tek bir telsiz haberleşme kanalın sonunda bile performansı arttırdığı görülmektedir.
3.3 Mimo Çeşitleme ve Çoklama Teknikleri
Geçmişteki çalışmalar MIMO sistemlerin yüksek veri hızı, yüksek kapasite ve telsiz haberleşme sistemlerinde daha verimli bir spektrumu karşılamak adına umut vaat eden bir çözüm olduğu anlaşıldı. MIMO sistem, hem alıcı hem de verici tarafta zengin bir çok yollu uzay-zaman boyutlandırmasından yararlanmak için çoklu anten veya adaptif işaret işleyicilerle birleşmiş elemanlar kullanmaktadır. Bu metod tek girişli tek çıkışlı sistemler üzerinde kapasiteyi arttırmaya yöneliktir. MIMO kapasitesi performansı kanal matrisinin karakterine bağlıdır. Đlişkilendirilmemiş kanal yol kazancı sayısına eşit olan kanal matrisinin derecesi kapasiteyle düzgün olarak artmaktadır. En iyi kapasite performansı çok yollu işaretler arasında düşük ilişki olmasının sonucunda kanal matrisinin derecesi tam olduğu zaman gerçekleşir. Dizi konfigürasyonu, ışıma paterni,polarizasyon ve çok modlu uyarılma gibi anten parametrelerinden yararlanan çeşitleme teknikleri, istenen bu sonucu ortaya çıkartmaktadır. Bu ise MIMO sistem performansını optimize etmeye yarayan ve anten tasarlamayı geniş boyutlara taşımaya sağlayan teknolojiye izin vermektedir.
3.3.1 Uzaysal Çeşitleme
En basit haliyle uzaysal çeşitleme,alıcı verici kanalları arasındaki yolları arttırmak için alıcı ve/veya vericide birden fazla sayıda anten elemanı kullanılarak elde edilen çeşitleme yöntemidir. Gerekli uzaysal elemanla, doğru sayıda ve uygun dizi geometrisi ve topolojisiyle, telsiz kanal üzerinde işaret kalitesine ulaşılmaktadır. Bu şemayı MIMO sistemi için düşünürsek, kanal kapasitesi en iyi seviyeye ulaşacaktır. Şekil 3.4 uzaysal çeşitleme kavramını uzamsal elemanlarla birlikte göstermektedir.
26
Kural olarak, her elemanın üzerinde bağımsız zayıflama olduğundan emin olmak için anten elmanı uzaklıkları frekans dalgaboyunun bir çarpanı olmalıdır. Yinede,gezgin telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar gibi küçük el terminali cihazları için boyut ve tutar uzaysal çeşitlemenin tam potansiyeline bir limit getirmektedir. Anten elemanları arasındaki yetersiz mesafe, giriş empedans değişikliği ve patern distorsiyonu oluşmasına sebep olup elemanlar arasında karşılıklı empedansa yol açmaktadır.
3.3.2 Polarizasyon Çeşitlemesi
Uzaysal çeşitlemenin daha genişlemesiyle oluşan polarizasyon çeşitlemesi karşılıklı bağlantıyı azaltabilmektedir. Şekil 3.5’de dikey ve yatay polarizasyon çeşitlemesi görülmektedir. Doğrusal polarizasyonun tipik bir halinde, işaretler yatay ve dikey bir yol oluşturacak şekilde iletilir ve alınırlar.
Şekil 3.5 : Dikey ve yatay polarizasyon çeşitlemesi
Đki farklı polarizasyonun dik olması, her anten üzerinde işaretlerin bağımsız ve ilişkilendirilmemiş olmasını ve tam dereceli MIMO kanal matrisinin oluşmasını sağlamaktadır.
Dikey polarize işaretler yatay polarize işaretlerden daha iyi yayıldığı için çiftlenmiş dikey polarize alıcı ve verici antenler genellikle en iyi performansa ulaşmak adına daha çok tercih edilirler. Yine de, saha içi uygulamalar için olan MIMO sistemi, çapraz-polarizasyon yüksek yansımalardan dolayı kötü yönde etkileyecektir. Bu çapraz polarizasyon faktörü, alınan işaretin iletilen işarete dik olduğu yerlerde doğal bir sonuç olarak düşünülür.
Hem alıcı hem verici tarafta yatay polarizeli antenlerle birçok polarizasyona sahip olma, saha içi MIMO kanallar için önemli bir çözüm temin etmektedir. Sağ el ve sol el kuralına göre polarize olmuş antenlerin dairesel polarizasyonda kullanma seçeneği de çok yollu işaretleri birbirinden ayırımda önemli bir çözümdür. Dairesel polarizasyon çeşitlemesine sahip olan dizi elemanları en az uzaklığa sahip olacak şekilde düzenlenebilir ve herhangi bir fiziksel tasarım sınırlandırmasının üstesinden gelebilir ve düşük uzaysal ilişkiyi gerçekleyebilir. Bunun gerçeklenebilmesi için elemanların farklı polarizasyon yönelimlerinden kaynaklanan izolasyon probleminin çözülmesine bağlıdır.
3.3.3 Patern Çeşitlemesi
Şekil 3.6’da gösterildiği gibi iki elemanlı anten dizisi için farklı ışıma paternine sahip anten tasarlama işlemi sonucunda patern çeşitlemesinin oluştuğunu gözlemleriz.
Şekil 3.6 : Patern çeşitlemesi
Yüksek ilişkilendirme, MIMO kanal üzerinde alıcı verici işaretlerin açısal uzaklıklarının kullanılmasını azaltmaktadır.Açısal çeşitlilikle, iletilen işaretlerin gidiş açısı veya alınan işaretlerin geliş açısı, özel olarak her anten yönünü gösteren yönlü antenlerin kullanılmasıyla sağlanır. Bu ise her alıcı ve verici işaretin arasında izolasyon olduğunu gösterir ve işaretler üzerinde düşük ilişkilendirme olduğunu belirtir. Açısal çeşitlilik, çok büyük bir oranda her antenin çok yollu işareti farklı birçok yoldan alabildiği durumda baskındır. Bu durum açısal mesafenin çok dar yapılmasına ve çakışmayan ışıma paternlerinden dolayı yüksek bir yönelticilik oluşmasına müsaade eder. Büyük ölçüde dik anten paternleri istenen oranda ilişkilendirilmiş veya hiç ilişkilendirilmemiş MIMO işaretleri üretirler. Küçük antenler ise, MIMO kanalda yüksek ilişkilendirme etkisine sebep olan geniş açı mesafesinden dolayı çakışan ve tüm yönlü ışıma paternleri üretmeye meyillidir.
28
MIMO sistemde yüksek kapasiteyi garanti eden bir diğer yöntem ise, çok modlu çeşitlemenin istisnai tekniğini kullanmaktır. Bu yöntem, farklı uyarma modları için dik ışıma paternleri oluşturan çok modlu antenlerin karakteristiklerinden faydalanır. Ayrıca, temel TEM modlarına göre uyarma yapan tek çok modlu anten, diğer çeşitleme sistemlerinin aksine, çoklu anten elemanlarının ihtiyacını ortadan kaldırırken düşük ilişkilendirme etkisini gerçekleştirebilmek için çoklu dik bileşenleri sahip olma avantajını sağlayabilir. Çift konikli çok modlu antenin MIMO saçılma kanalı ortamında, anten dizisine yakın bir kapasite kazancı sağladığı gösterilmiştir. Çok modlu anten sadece bir elemana ihtiyaç duyduğu için, bir dizinin uzaysal gereksinimlerinden ve elemanların ayarlanmasından kaçındığı görülmektedir. Ayrıca, farklı ve çeşitli uyarma modlarına bir anten üzerinde aynı işlem frekansında sahip olma ve bu modların daha sonra antenin değişik portlarında yayılması mümkündür.
4. ÇOK BESLEMELĐ ANTEN YAPILARI
4.1 Telsiz Haberleşme Sisteminde Antenler
Savunma sistemleri için tasarlanan antenlerin aksine, ki bu sistemlerde performans genelde ilk önemli parametre maliyet ise ikinci planda kalan bir parametredir, ticari telsiz sistemleri için anten seçiminde genellikle maliyet,boyut,ağırlık ve estetik görünüş önemli olup performans ise ikinci planda kalmaktadır [11].
30
Çizelge 4.1 :Ticari Telsiz Sistemlerde Kullanılan Antenler [11]
Sistem Kullanılan Anten
Hücresel-Kişisel haberleşme terminali
Tekil anten,tel dipol anten,katlanmış dipol ve yama anten
Hücresel-Kişisel haberleşme baz istasyonu
Dipol veya yama dizisi
GPS Alıcı Mikroşerit yama ve çift telli helis anten
Sayısal Yayın Uydu Abonesi Offset beslemeli yansıtıcı,şerit hatlı dizi antenler
Kablosuz Alan Ağı Tekil anten,tel dipol anten,katlanmış dipol veya yama anten
Yerel Çok Noktalı Dağıtım Servis(LMDS) abonesi
Yansıtıcı anten,yama dizisi
Yerel Çok Noktalı Dağıtım Servis(LMDS) baz istasyonu
Boru(Horn) anten,yansıtıcı ve yama dizisi
Telsiz Yerel Çevrim Sistemi Yama elemanı veya dizi,tekil veya tel dipol Noktadan-Noktaya Yayılım Yansıtıcı,boru(horn) veya yama dizisi Çok Küçük Açıklıklı Uydu Yansıtıcı veya yama dizisi
RFID(Radyo frekansı tanıma) Loop anten,katlanmış dipol,yama veya tekil anten
4.2 Çok Demetli Anten Kavramı
Çok demetli anten teknolojisi birçok antenin yerine tek bir yansıtıcı anten kullanarak birçok farklı antenle bağlantı kurmaya yarayan bir tasarım örneği olarak bilinmektedir. Bu teknoloji Avrupa’da birçok istasyonda kullanılıyor olup, dünyanın her bir tarafındaki aboneler için televizyon ve uydu kanallarını desteklemektedir. Çok demetli anten teknolojisi çoklu frekans bandı üzerinden aynı anda birden fazla yer istasyonuna erişme potansiyeline sahiptir. Çok demetli anten tasarımındaki bu yeni kavram gelecekteki haberleşme gereksinimlerine eşsiz bir çözüm olmuştur. Bugünkü müşterilerin talepleri doğrultusunda esneklik ve hızlı yanıt verme ile haberleşme sağlanmaktadır.
Çok demetli bir anten en az bir eğimli yüzeyden oluşmaktadır. Eğimli yüzey ise yansıtıcı, kırılan veya yayılan cinsten olabilir. Çok demetli bir anten sistemi ise 3 temel bileşenden oluşmaktadır; bir anten, demet düzenleyici bir ağ ve demet düzenleyicinin fonksiyonlarını birleştiren kontrol devresinden oluşur. Her giriş portunda işaretler taşındığında farklı ışıma paternleri elde edilmektedir. Şekil 4.1 ve 4.2’de bu gibi sistemlerin yapısı gösterilmiştir [7].
Biz ise birçok yansıtıcı ve horn kullanmak yerine birden fazla besleme kullanarak çok demet elde etmeye çalışacağız. Ayrıca bu çok beslemeli antenin çok giriş çok çıkışlı sisteme oranla nasıl performans sergilediğini gözlemleyeceğiz.
32 4.3 Besleme Teknikleri
Mikroşerit antenler, bir mikroşerit hat ya da ortak eksenli bir mil yardımıyla direk olarak uyarılabilirler. Ayrıca dolaylı olarak elektromanyetik bağlaşım,açıklık bağlaşım ve eşdüzlemli kılavuz dalga beslemesini kullanarak da uyarılabilirler. Dolaylı olarak uyarılan bu durumda besleme hattı ve yama arasında direk bir metalik bağlantı bulunmamaktadır. Besleme tekniği giriş empedansını, anten karakteristiğini ve önemli tasarım parametrelerini etkilemektedir.
Şekil 4.3:Mikroşerit anten biçimleri
Eşdüzlemli ve mil besleme uygulaması Şekil 4.3’de gösterilmiştir. Eşdüzlemli konnektörün merkezinde bulunan iletken yamaya lehimlenmiştir. Bu beslemenin en temel avantajı giriş empedansıyla eşleştirmek için yamanın yanında istenen herhangi bir konuma getirilebilir olmasıdır. Dezavantajları ise, deliğin alt katmanda yapılması ve konnektörün yüzeyin altından dışarı çıkmış olmasıdır böylece tamamen düzlemsel olmamaktadır.Ayrıca, bu besleme uygulaması düzenlemeyi asimetrik kılmaktadır [6].
Şekil 4.4 (a)’da mikroşerit hat beslemesi tarafından uyarılan bir yama görülmektedir. Bu besleme yapısı aynı alt tabakada bulunma avantajını sağlar böylece toplam yapı düzlemsel olarak kalır.
Dezavantaj ise çapraz polarizasyon seviyesinde artışı sağlayan besleme hattından gelen ışınımdır. Ayrıca, milimetre dalga boyu aralığında, besleme hattının boyutu yama boyutuyla uyumludur ki bu da istenmeyen ışınımı arttırır.
Genelde geniş bant kablosuz sistemlere erişmek için kullanılan ince alt tabakalar için yukarıdaki iki direk besleme yöntemi mikroşerit yapıda sorun teşkil etmektedir.Eşeksenli besleme durumunda, arttırılmış mil boyutu giriş empedansını daha indüktüf yapar ve bu da empedans uyuşma problemine yol açar. Mikroşerit besleme için, alt tabaka kalınlığında meydan gelecek bir artış genişliğin de artmasına yol açacaktır ve bunun yansıması istenmeyen ışınım artışına yol açmaktadır.Alt kısımda tartışılan dolaylı besleme bu problemleri çözmektedir. Elektromanyetik bağlaşımlı dikdörtgensel mikroşerit yama anten Şekil 4.4 (b)’de gösterilmiştir. Elektromanyetik bağlaşım(kuplajlama) yaklaşıklı bağlaşım olarak da bilinmektedir. Đki yalıtkan ortam tarafından ayrılan besleme hattı yama ve zemin düzlemi arasına yerleştirilmiştir. Bu besleme biçiminin avantajı yanlış besleme-ağı ışınımının giderilmesini içerir;iki farklı dielektrik ortam arasındaki seçenek, birisi yama için diğeri ise besleme hattını özgün performansa ulaştırmak için gereklidir ve mikroşerit anten kalınlığının tüm alt tabakasındaki artıştan dolayı bant genişliğinde meydana gelen artıştır. Dezavantajları ise bu iki tabakanın uygun şekilde sıralanması ve antenin tüm kalınlığının artmış olmasıdır.
Dolaylı olarak bir yamayı uyarmanın bir diğer yolu açıklık bağlaşımdır. Açıklık bağlaşımlı mikroşerit anten yapısında Şekil 4.4 (c)’de gösterildiği gibi zeminde küçük elektriksel bir açıklık veya aralık boyunca mikroşerit besleme hattından yamaya kadar ışınım yapar. Toplam bağlaşımın miktarına açıklığın şekil boyut ve pozisyonu besleme hattından yamaya kadar olan kısımda karar veren etkendir. Açıklık aralığı rezonant olabilir ya da olmayabilir.
34
Şekil 4.4 :Dikdörtgensel mikroşerit anten a) Mikroşerit hat b) Elektromanyetik bağlaşım c) Açıklık bağlaşım d) Eşdüzlemli dalga kılavuzu tarafından beslenmiş
Rezonant olan boşluk veya aralık yama rezonansına ek olarak geri dönen ışınımda bant genişliğinde bir artış olması münasebetiyle başka bir rezonans olmasını sağlar.Sonuç olarak, rezonant olmayan bir açıklık kullanılmış olur. Sistemim
performansı ise farklı katmanların sıralanması hususunda küçük hatalara duyarlı değildir.
Elektromanyetik bağlaşımlı yönteme benzer olarak, en iyi anten performansı için iki katmanın alt tabaka parametreleri için ayrı olarak seçilebilir. Bu besleme yöntemi yüksek bant genişliği sağlamaktadır.
Şekil 4.4(d)’de gösterilen eşdüzlemli kılavuz dalga besleme mikroşerit antenleri uyarmak için kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde eşdüzlemli kılavuz dalga mikroşerit antenin zemin yüzeyinde yer etmiştir. Hat ortak eksenli bir besleme tarafından uyarılır ve uzunluğu açıklık dalgaboyunun 0.29 ile 0.25 arasında olan bir aralıkla sonlandırılır. Bu yöntemin en temel dezavantajı düşük ön-arka ışınım oranına mahal veren uzun açıklıktan doğan yüksek ışınımdır. Ön-arka ışınım oranı aralık boyutunu azaltarak ve şeklini döngüden alarak düzenlenir [6].
4.4 Birden Fazla Beslemeye Sahip Yalıtılmış Antenler
Çeşitlemeye sahip iletişim sistemlerinin veya MIMO’nun avantajlarından yararlanabilmek için, antenler genel olarak iletişim kanal ortamında bulunan bağımsız çok yollu sinyalleri alabilecek şekilde tasarlanmaktadırlar. Uygun bir tasarımla, bir antenin yaptığı ışınımın komşu antenin yaptığı ışınıma karışması engellenir ve zıt yük devre sistemi tarafından bu ışınım emilir. Genel olarak, anten ayrılmasının veya polarizasyonunun birleşmesi, istenilen işaretin izolasyonlu ve birbirinden bağımsız olarak alınması için kullanılır. Yine de, cihazın yanındaki alan çok sınırlı olduğunda bu yaklaşım endüstriyel tasarımda ve performans kriterinde çok verimli olarak düşünülmez. Sonuç olarak,endüstri tek antenli çözümlere veya düşük performanslı yardımcı antenlerle çeşitleme düzenlemesine yönelmiştir [15]. Bu nedenle çok ve boyut olarak büyük anten kullanmak yerine daha küçük ve tek anten kullanıp besleme sayısında artışa giderek farklı ışıma paternleri elde ederek çeşitleme sağlamış olacağız.
4.4.1 Çift beslemeli anten kavramı
Literatürde çift beslemeli antenler pek de yaygın değildir. En fazla yaygın olanları iki tane besleme portuna sahip olan yama antenlerdir ve daha az yaygın olanlar ise aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bunun dışında çift besleme gereksinimi genellikle
36
farklı iki anten elemanının yan yana yerleştirilmesiyle oluşmaktadır ve sonra karşılıklı bağlaşım veya kuplajlama azaltılmaya çalışılır.
Bu yöntemin gölgeleme ve kuplajlama gibi bazı dezavantajları olsa da bu dezavantajları besleme portlarını mümkün olan en uzak ve etkileşimin az olduğu konumlara yerleştirerek en aza indirgeyebiliriz.
Anten çeşitlemesi,anten ve filtre birleşimi ve yedeklilik için çift besleme ve tek besleme uygulamaları Şekil 4.5, 4.6 ve 4.7’de gösterilmiştir [17].
Şekil 4.5 : Çift ve tek beslemeli anten çeşitlemesi
Şekil 4.6 : Çift ve tek beslemeli anten ayırıcı ve birleştiricisi
4.4.2 Mimo sistemler için anten metrikleri
Haberleşme sistemlerinde kanal işaretlerinin bağımsızlığından yararlanmak için, alıcı ve vericinin belirli karakterlere sahip çoklu anten kullanması gerektiğine yaygın olarak inanılır.
Đşaretler farklı yönlerden varabilmelerinden dolayı, antenler alınan işaretin en yüksek bağımsızlığına izin veren karakteristikleri gösterirler. Bu gibi karakteristiklerden bir tanesi de anten patern bağımsızlığıdır ki bu patern korelasyon katsayısı ile ölçülmektedir. (Bu verilecek olan ifade yeterli olmasa da,iletişim kanalının etkilerini içermez.) Patern korelasyon katsayısı tam küre anten patern ölçülerinden hesaplanabilir ve elektrik alan bileşenleri cinsinden ifade edilir ve ρp ile gösterilir [16]. Denklem (4.1)’de korelasyon katsayısının antenin alan parametreleri cinsinden gösterilmiştir.
∫ ∫
∫
∫
∫
∫
ΠΠ Π Π Π Π Ω Ω Ω = 2 0 0 22 0 11 2 0 0 12 2 0 . . . . d A d A d A p ρ birimsiz (4.1)Denklem (4.2)’de ise alan bileşenlerinin hesaplanması gösterilmiştir.
Amn = X.Emv(θ,ϕ).E*nv (θ,ϕ)+Emh(θ,ϕ).E*nh (θ,ϕ) [v/m] (4.2)
Yukarıdaki eşitlikte geçen “S” terimi ise çapraz polarizasyon güç oranı olarak bilinir ve denklem (4.3)’de gösterilmiştir.
h v S S X = birimsiz (4.3)
Bu aynı zamanda dikey gücün yatay gelen güce oranıdır.Antenin hangi portu(1 veya 2) olduğunu işaret eden alt indisler (m,n) olarak gösterilmiş olup, tamsayı değerine göre antenin portuna karar verilir.Ω(θ,φ) ise yaygın olarak gösterildiği üzere steradyan cinsinden uzaysal açıdır. E1,v E1,h E2,v E2,h sırasıyla antenin 1 veya 2 portunun yatay veya dikey alan bileşeninin karmaşık zarflarıdır. Çapraz polarizasyon
38
güç oranı dikey polarize durumda alınan ortalama gücün yatay polarize durumda alınan ortalama güce oranı olarak tanımlanır.
Korelasyon katsayısının düşük bir eşik değerin altında olması tercih edilen bir durumdur ve zarf korelasyonu olan ρ2 ‘nin birçok çalışmaya göre kabul edilebilir veri kapasitesi için 0.5’in altında olması gerekir.
Antenler sadece portlar arasında düşük işaret korelasyonu göstermemelidir,ayrıca birinden diğerine olan izolasyonu sağlamalıdır ki, bir besleme portundan alınan veya besleme portuna gönderilen işaret portun veya beslemenin zıt tarafında görülmesin. Đzolasyon tipik olarak yaygın bir şekilde kullanılan türetilmiş s parametreleri yardımıyla ölçülmektedir. Đzolasyon grafikleri genelde desibel cinsinden verilir ve ölçümün antenin 1.portundan 2.portuna doğru veya tam tersi olacak biçimde olup olmadığına göre S12 veya S21 olarak tasarlanır. Eğer izolasyon iyi değilse, kaynak anten mevcut olan gücü komşu antenin sonlanma direncine tüm ışınımın verimliliğini azaltacak şekilde aktarır.-10 dB S21 için düzenli, kabul edilebilir bir değerdir ve %10’un altında bir güç kaybıyla sonlanır.
Antenin yakın-alan bağlaşımı uzak alan paterniyle ilgili olmasından dolayı,her anten terminalinde s parametreleri cinsinden ölçülen korelasyon katsayısını yaklaşık olarak ifade etmek mümkündür.Denklem (4.4)’de antenin devre parametreleri cinsinden korelasyon katsayısı 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 (4.4)
Bu yaklaşımla elde edilen ölçümler, patern yöntemini kullanarak hesaplanan değerlere yaklaşıklık gösterir ve bu yönteme göre daha kolaydır. Birçok çalışma ve belirlemede iki farklı durumda yaklaşık olarak ρ diye tanımlanan ifadenin karesel büyüklüğüne eşit olan korelasyon katsayısı zarf korelasyonu olarak da bilinir. Bu eşitlikten de anlaşılacağı gibi S12 ve S21’in küçük değerleri için ρs değeri de küçük çıkacaktır. Bazı durumlarda S12 ve S21’in büyük olduğu durumlarda S11 ve S22 giriş değerlerine bağlı olarak da korelasyon katsayısı küçük çıkabilmektedir.
