URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
WLAN Uygulamaları için Eş-Düzlemsel Hat Beslemeli
Çift Bantlı Monopol Düzlemsel Bir Anten
Emrah Sever
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü
Elektronik Mühendisliği Bölümü
Çayırova, Kocaeli
(262)6052442
[email protected],
Cevdet Işık
İstanbul Teknik Üniversitesi
Telekomünikasyon Mühendisliği Bölümü
Maslak, İstanbul
(212)2853631
[email protected]
Özet: Bu çalışmada, empedans uyumunu arttırmak için besleme hattından ışıma yamasına iki yeni şerit
eklenmiş, eş-düzlemsel hat beslemeli (CPW-fed) monopol düzlemsel bir anten tasarımı sunulmaktadır. Bu ek
şeritli yeni anten yapısı ile daha düşük frekans bölgesi olan 2.4-2.45GHz aralığını kapsayan bölgede empedans
uyumunun iyileştirilmesinin yanı sıra 5.125-5.825GHz aralığını kapsayan diğer bir bant daha elde edildi. Ayrıca
yüksek frekanslarda ışıma örüntüsünü iyileştirmek için ışıma yaması üzerinde iki adet simetrik yarık açılmıştır.
Elde edilen geri dönüş kaybı karakteristiği ve ışıma örüntülerine göre bu anten WLAN uygulamaları için
kullanılabilir. Benzetim için HFSS kullanılmış ve benzetim sonuçları ile deneysel sonuçlar oldukça iyi bir şekilde
örtüşmüştür.
Abstract: A coplanar waveguide fed (CPW-fed) monopole planar antenna with added two new strips from the
feeding strip to the radiation patch for improving impedance matching is proposed in this study. In addition to
improved return loss at lower frequency band which includes 2.4-2.45GHz frequency range, another band of this
antenna structure with these strips were obtained at high frequencies which includes 5.125-5.825GHz frequency
range. Also two symmetric notches were embedded on the radiation patch for improving radiation pattern at
high frequencies. According to the return loss characteristic and radiation patterns, this antenna can be used for
WLAN applications. HFSS is used for simulation. Good agreements have been obtained between the simulation
and experimental results.
1. Giriş
Teknoloji günden güne gelişmekte ve daha fazla bant genişliğine ve birden fazla uygulamaya ihtiyaç duyan yeni
cihazlar üretilmektedir. Günümüzde birçok cihaz farklı frekans bantlarını kullanan iki veya daha fazla
uygulamayı çalıştırmaktadır. Bu ihtiyaca cevap vermenin iki yolu mevcuttur. Bunlardan ilki, ihtiyacı
karşılayacak şekilde uygulama sayısı kadar anten kullanmaktır. İkincisi ise bütün uygulamaların frekans
bantlarını kapsayan geniş bantlı bir anten tasarlamaktır. Birinci seçenek yüksek maliyet ve kullanılan cihazların
boyutları dikkate alındığında iyi bir çözüm olmamaktadır. Federal Haberleşme Komisyonunun (Federal
Communication Commission) 3.1-10.6GHz frekans aralığını serbest bölge ilan etmesinden sonra [1] bu aralığı
kapsayan geniş bantlı antenlerin tasarımı büyük bir hız kazandı. Monopol düzlemsel antenler, geniş bantlı ve
düzlemsel bir yapıya sahip olmaları nedeni ile bu uygulamalar için en çok tercih edilen anten tipleri olmuştur.
Monopol antenler mikroşerit antenlerin özel bir halidir [2]. Ancak mikroşerit antenlerin parametreleri ile tasarım
parametreleri arasındaki ilişkileri ifade eden matematiksel ifadeler olmasına rağmen monopol antenler için
VSWR = 2 (-10dB) seviyesi için alt kesim frekansını yaklaşık olarak veren bir formülden [3] başka kullanışlı
ifadeler mevcut değildir. Bu nedenle ışıma yamasına sahip monopol anten yapılarının tasarımı için HFSS gibi
yüksek frekans benzetim programlarına ihtiyaç vardır. Besleme tekniği olarak, kolay monte edilebilmesi,
düzlemsel yapısı ve düşük kayıplı olma özelliklerinden dolayı genellikle eş-düzlemsel hat (EDH) girişli besleme
kullanılır [4, 5]. Bu besleme tekniğinde ayrıca toprak levhaları da ışımaya katkıda bulunur ve empedans
uyumunun iyileşmesini sağlar. [4, 5] çalışmaları toprak levhaları yardımıyla iyi bir empedans uyumunun
sağlandığı çalışmalardır. Ayrıca anten parçaları arasındaki geçişlerin de empedans uyumuna çok kritik etkileri
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
olduğu iyi bilinmektedir [6]. Bu çalışmada WLAN uygulamaları için kullanılabilecek, besleme şeridinden ışıma
yamasına simetrik iki şerit eklenmiş ve ışıma yaması üzerinde simetrik iki yarık açılmış çift bantlı, EDHbeslemeli bir anten önerilmiştir. Çalışmanın ikinci kısımda anten geometrisi tanıtılmış, üçüncü kısımda benzetim
ve ölçüm sonuçları karşılaştırılmış ve tartışılmıştır.
2. Anten Geometrisi
Şekil 1. Önerilen iki şeritli ve iki yarıklı EDH-beslemeli anten yapısı
İki şeritli ve iki yarıklı önerilen EDH-beslemeli anten yapısı Şekil.1’de gösterilmiştir. Dielektrik alt katman
olarak ɛr=4.4 ve kalınlığı 1mm olan FR4 malzemesi kullanılmıştır. Alt tabaka malzemesinin genişliği 89.2x82.4
mm dir. Simetrik toprak tabakalarının genişliği 35x30mm, besleme şeridinin genişliği 2mm, uzunluğu ise 37.3
mm dir. Eş-düzlemsel toprak tabakaları ile besleme şeridi arasındaki boşluk ise 0.6mm dir. Işıma yamasının
yüksekliği 35mm, genişliği 50mm ve toprak levhaları ile arasındaki mesafe 7.3mm dir. Ayrıca besleme
şeridinden ışıma yamasına uzanan simetrik iki şerit ise Şekil.1 üzerinde belirtilen p1, p2, p3 ve p4 noktaları ile
tanımlanmışlardır. Bu noktalar, Tablo 1’de x, y, z kartezyen koordinatları türünden ifade edilmişlerdir. Bu iki
şeridin yanı sıra ışıma yaması üzerinde 2x10.5 boyutlarında iki adet yarık açılmıştır.
Tablo 1. Besleme şeritlerini tanımlayan noktaların koordinatları
p1 (x,y,z)
mm
(0, -25, 37.3)
p2 (x,y,z)
p3 (x,y,z) p4 (x,y,z)
mm
mm
mm
(0, -17, 37.3) (0, -1, 35) (0, -1, 32)
Tablo 1’ de verilen koordinatlar, istenen ışıma örüntüsünün yanı sıra iyi bir empedans uyumunun sağlanması için
kullanılan noktaların yerlerini belirtmektedir. İstenen ışıma örüntüsünü ve empedans uyumunu elde etmek
amacıyla, noktalardan birinin konumu diğerleri sabit iken değiştirilerek analiz yapıldı. Tablo 1’de yer alan
koordinat noktaları için istenen geri dönüş kaybı karakteristiği elde edildi. Ancak daha yüksek frekans
bölgesindeki ışıma örüntüsü, dikdörtgen yarıklar açılmadan istenen özellikleri sağlamadığından ışıma yaması
üzerine simetrik iki adet dikdörtgen yarık açıldı ve bu yarıkların uzunluğu ve genişliği daha yüksek frekans
bölgesindeki ışıma karakteristiklerini iyileştirmek için analizde kullanıldı. İstenen ışıma örüntüsünü elde etmek
için bu yarıkların uzunlukları, genişlikleri ve konumları son derece önemli olmaktadır.
3. Sonuçlar ve Tartışma
Önerilen antenin geri dönüş kaybı karakteristiğine ilişkin benzetim sonuçları ve ölçüm sonuçları Şekil.2’ de
gösterilmektedir. Şekilden görüldüğü gibi besleme şeridinden ışıma yamasına doğru uzatılan şeritler olmadan
birinci ve ikinci WLAN batlarının her ikisi için de empedans uyumu istenen seviyede değildir. Fakat bu şeritlerin
eklenmesi ile birinci bant için geri dönüş kaybı değerleri daha aşağı seviyelere çekilirken aynı zamanda ikinci
bant da elde edilmiş oluyor. Birinci bant için benzetim ile elde edilen alt kesim frekansı (-10dB kesim frekansı)
1.55GHz iken ölçüm sonucunda elde alt kesim frekansı 1.68GHz olmaktadır. [3]’deki formül yardımıyla
hesaplanan alt kesim frekansı ise 1.67GHz olmaktadır. Benzetim ve ölçüm sonuçlarında elde edilen alt kesim
frekanslarında iyi bir örtüşme olmaktadır. Birinci bant (1.68-2.76GHz) ve ikinci bant (4.3-6.62GHz) için ölçüm
sonuçlarından sırasıyla %48.6 ve %42.4 bant genişlikleri elde edilirken bu değerler benzetim sonuçlarına göre
%57 ve %40 olmaktadır.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 2. Benzetim ve ölçüm sonuçlarına ilişkin frekansa göre geri dönüş kaybı değeleri
Öncelikle eklenen yeni şeritler ile iyi bir empedans uyumu sağlandı. Daha sonra ışıma örüntüleri ele alınarak
iyileştirilmeye çalışıldı. Işıma yaması üzerindeki dikdörtgen yarıkların olmadığı durumda yüksek frekanslardaki
ışıma örüntüsü istenen özellikte değildi. Açılan yarıkların uzunluğu, genişliği ve konumları kullanılarak yüksek
frekanslardaki ışıma örüntüsü de iyileştirildi.
Şekil 3. 2.4GHz ve 5.4GHz frekanslarında ölçülen ışıma örüntüleri
Dikdörtgen yarıkların olduğu durum için 2.4GHz ve 5.4GHz frekans değerlerinde ölçülen ışıma örüntüleri
Şekil.3’ de gösterilmiştir. Şekillerden de görüleceği üzere, tasarlanan anten 2.4GHz frekansında her yöne,
5.4GHz frekansında ise yaklaşık olarak her yöne ışıma yapmaktadır.
7. Sonuç
Bu çalışmada WLAN uygulamaları için eş-düzlemsel hat beslemeli monopol düzlemsel bir anten önerilmektedir.
Empedans uyumunu ve ışıma örüntüsünü iyileştirmek amacıyla besleme şeridinden ışıma yamasına simetrik iki
şerit ve ışıma yaması üzerine de simetrik iki adet yarık eklendi. 2.4-2.45GHz ve5.125-5.825GHz frekans
bantlarını kapsayan bölgede geleneksel monopol düzlemsel antenlere göre çok iyi bir empedans bant genişliği
elde edildi. Ayrıca bu frekans bantlarında oldukça iyi ışıma örüntüleri de elde edildi. Anten, WLAN
uygulamalarında kullanılabilecek çift bantlı bir geri dönüş kaybı frekans cevabına ve ışıma örüntülerine sahiptir.
Kaynaklar
[1] Federal Communication Commission, First report and order, Revision of part 15 of the commission’s rules
regarding UWB transmission systems, FCC 02-48, 2002.
[2] Kumar, G., K. P. Ray, “Broadband Microstrip Antennas”, Arctech House, USA, 2003.
[3] Parsad, N., Kumar, G., Ray, K.P., “Wide-Band Planar Monopole Antennas”, IEEE Trans. Antennas
Propagat. Sayı. 46, s. 294-295, Ağustos., 1998.
[4] Gou, Q., Li, Z., Wnag, J., Ju, “A CPW-fed Antenna with Ring Strip Ground for Ultra wideband
Applications”, IEEE Microwave Technology and Computational Electromagnetic, 2009, s. 70-72.
[5] Deng, C., Xie, Y.J., Li, P., “CPW-fed Planar Printed Monopole Antenna with Impedance Bandwidth
Enhanced”, Antennas and Wireless Propag. Letters, Sayı. 8, s. 1394-1397, Aralık., 2009.
[6] Kraus, J. D., “Antennas, Second edition” McGraw Hill, New York, 1988.
Download