10.77 GHz Ku Band Mikroşerit Rezonans Anten
Recep AYCI
Haliç Üniversitesi Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü
Kağıthane, İstanbul
[email protected]
Taha İmeci
İstanbul Ticaret Üniversitesi Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü
Küçükyalı, İstanbul
[email protected]
Özet: Bu çalışmada saç tokası filtre gömülü Ku band anten tasarımı ve benzetimi yapılmıştır[1] 10.77 GHz ‘de
5 dB kazanç ve -31.72 dB altında da geri dönüş kaybı elde edilmiş olup, -20 dB ters polarizasyon elde edilmiştir.
Benzetim işlemleri için moment metodu kullanan bir elektromanyetik ticari simülasyon programı olan Sonnet
Suites [2], düzlemsel 3-boyutlu elektromanyetik simülatörü kullanılmıştır. Simülasyon sonuçları grafikler
halinde verilmiş ve parametrik çalışma yapılarak tablolarda gösterilmiştir.
Abstract: In this study hairpin filter embedded ku band antenna design and simulation has been performed [1]
Simulation results of, 5 dB gain at 10.77 GHz and -31.72 dB return loss with -20 dB cross-polarization was
obtained. As a simulation tool, an electromagnetic commercial simulation program, which uses method of
moments, Sonnet Suites [2], a planar 3-D electromagnetic simulator was used. The simulation results are
presented in graphics and a parametric study is shown in tables.
1. Giriş
Bu çalışmada esas amaç, 10.77 GHz‟de kullanılan bir ku band mikroşerit rezonans anten tasarlamaktır. Bu
tasarımın tamamlanmasında bir takım makaleler incelenmiştir. Bu rezonans antenlerden biri, yüksek bant
genişliği elde etmek için eş-düzlemsel dalgaklavuzu yapısı kullanmıştır [1]. Başka bir eş-düzlemsel dalga
klavuzu kullanan ve G-harfi şeklindeki antende ise bant genişliğini artırmak için yapılan parametrik çalışmalar
incelenmiştir. Bu anten 4 - 6.5 GHz arasında -10 dB geri dönüş kaybı band genişliği elde etmiştir [3]. Fraktal
ortası delikli yapı kullanan başka bir çalışmada da bir öncekine benzer frekanslarda geniş bantlı tasarım
yapılmıştır. Kazanç seviyeleri 5 dB‟nin altındadır [4].
2. Tasarım Adımları
İlk olarak antenin çalışacağı frekans aralığı ve antende kullanılacak malzemenin dielektriğini belirlemek
amacıyla literatür taraması yapıldı. Farklı dielektrik özellikleri olan malzemeler ile yapılan testler sonucunda en
uygun olanın yalıtkan sabiti 3.38 olan Isola IS680-338 olduğu gözlemlendi. Tablo 1‟ de tasarım aşamasında
kullanılan dielektrik testlerinde kullanılan malzemeler ve oluşan kazançlara ait bilgiler verilmiştir. Burada
görüldüğü üzere 1 mm.‟lik sabit kalınlıkta ve değişik değerlerdeki dielektrikler bulunmaktadır. İdeal tasarımın
yapılması için Isola IS680-338 uygun olduğu görülmüştür.
Dielektrik Sabiti
2.55
3.38
3.8
Tablo 1: Dielektrik Testleri
Rezonans Frekansı (GHz)
10.8
10.77
10.12
Kazanç (dB)
0.89
5
3.59
Şekil‟1 de antenin 2 boyutlu üstten görüntüsü bulunmaktadır. Bu çalışmada şekil 1‟deki antende A, B, C ve
D ile sembolize ettiğimiz alanlardaki metal kalınlıkları optimize edilerek antenin Ku-bant alış frekans aralığında
bulunan 10.77 GHz‟ de çalışması sağlanmıştır.
Şekil 1. Antenin 2 boyutlu görünümü
Tasarım aşamasında incelediğimiz bir makalede [3], port çevresindeki eşdüzlemsel yapıyı oluşturan
toprağın etkisi gözlemlenerek “A” ile sembolize ettiğimiz alanın optimizasyonu yapıldı. Bu alandaki metalin
boyutu her iki alanda da uzatıldığında kazancın azaldığı ve bozulmaların oluştuğu görüldü. Bu alanda kullanılan
metalin boyutu olabildiğince düşük tutularak daha fazla kazanç elde ettik. “B” ile sembolize edilen kısımda iki
adet saç tokası filtre görünümlü metal varken bunu bire indirdik. “C” deki metalin boyutundaki analizler
sonucunda 0.2 mm genişlik ve 7.6 mm‟lik metaller ekledik. D ile sembolize ettiğimiz ana yama alanı oluşturan
metalin boyutlarını optimize ederken elde edeilen değerlerin antenin yaptığı ışımaya olan etkisi gözlemlendi.
3. Simülasyon Sonuçları
Elde edilen simülasyonlar sonucu oluşan geri dönüş kaybı, S11, sonuçları Şekil 2‟de verilmiştir. Geri
dönüş kaybı değeri 10.77 GHz‟de -31.72 dB gibi oldukça tatminkar bir sonuç elde edilmiştir. Yapılan analizler
sonucunda rezonans frekansının Ku-bant başlangıç frekansı olan 10.7 GHz üzerinde yer alması için çeşitli
optimizasyonlar yapılmıştır. Bu optimizasyonlar arasında saç tokası filtre şeklindeki metal alanı oluşturan kıv
rımların uzunluk ve enleri önemli rol oynamıştır. Şekil 1‟de C ile gösterilen ucu açık ince uzun metal boyutları
ile ilgili yapılan parametrik çalışmada ise sonuçların hem rezonans frekansı hem kazanç değerlerine etkisi
olduğu gözlemlendi.
Şekil 2. Önerilen anten için geri dönüş değerleri
-31.72 dB noktasında elde edilen kazanç 5 dB „dir. Bu kazancı elde ederken hava kalınlığı olarak 6mm
kullanılmıştır. Şekil 3‟ de yapılan analizler sonucunda tasarımımızın ışıma görüntüsü yer almaktadır. Elektrik
alan theta polarizasyonlu ışıma kazancı olarak 5 dB, çapraz polarizasyon olan phi ise -20 dB elde edilmiştir.
Şekil 3. 10.77 GHz için ışıma örüntüsü
5. Sonuç
Bu çalışmada esas amaç, radar sistemlerinde 10.77 GHz aralıklarında kullanılan ku band rezonans anten
tasarlamaktır. Geometri, dielektrik, hava kalınlığı üzerinde farklı değerler verilerek yapılan parametrik
çalışmalar sonucunda 10.77 GHz‟de -31.72 dB‟lik geri dönüş kaybı ve 5 dB‟lik bir kazanç elde edilmiştir.
Oluşturulan tasarımda farklı denemeler yapılarak en ideal anten tasarımı simülasyon olarak gerçekleştirilmiştir.
Bir sonraki aşamada simülasyon olarak tamamlanan bu çalışmanın imal ederek uygulama sonuçlarına ulaşılmaya
çalışılacaktır.
Kaynaklar
[1] Long Zheng, Guangming Wang, and Lin Geng / Compact Coplanar Waveguide (CPW)-Fed Tun- Able
Wideband Resonant Antennas Using Metamaterial Transmission Line. Progress In Electromagnetics Research
Letters, Vol. 40, 19-28, 2013
[2] Sonnet Software, version: 13.56, www.sonnetsoftware.com, 2013.
[3] Rafal Lech, Wojciech Marynowski, and Adam Kusiek/ Finite Ground CPW-FED UWB Antenna Over The
Metallic Cylindrical Surfaces Progress In Electromagnetics Research, Vol. 140, 545-562, 2013.
[4] W.-C. Liu / Optimal Design Of Dualband CPW-FEDG- Shaped Monopole Antenna For Wland Application
Progress In Electromagnetics Research, PIER 74, 21–38, 2007.
Download

ne.