URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Kağıt Baskıya Uygun Inkjet Tipi Antenlerin Tasarımları ve Benzetimleri
Furkan Aral Tunç, Furkan Gökçe, Can Önol, Barışcan Karaosmanoğlu, Özgür Ergül
Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
Ankara
[email protected]
Özet: Kağıt baskıya uygun inkjet tipi yama antenler tasarlanmış ve bu antenlerin ışınım özellikleri tam-dalga
çözücüleriyle incelenmiştir. 900 MHz’te çalışacak şekilde tasarlanan ve papyon geometrilere sahip antenlerin
ışınımları, kağıdın arka tarafına basılacak olan iletken zeminlerle kademeli olarak yönlü hale getirilmiştir.
Metalizasyonun azaltılması doğrultusunda, elde edilen yüksek doğruluktaki akım yoğunluğu sonuçları
incelenmiş ve zeminlerdeki düşük akıma sahip bölgeler kaldırılmıştır. Bu sayede, gölge şeklini alan zeminler ve
üzerilerindeki yamalardan oluşan, ucuz, ama yönlü ışınım özelliği gösteren anten tasarımları elde edilmiştir.
Abstract: Inkjet-type patch antennas that are suitable for printing on paper are designed and investigated via
full-wave solvers. Antennas with bowtie geometries, which are designed for operating at 900 MHz, are made
directive by gradually adding ground planes to be printed on the back sides of papers. Then, in order to reduce
the metallization, highly accurate current density results are analyzed and ground regions with low current
densities are eliminated. This way, cost-effective and directive antenna designs involving patches and shadow
grounds are obtained.
1. Giriş
Kağıt baskıya uygun inkjet tipi antenler, özellikle radyo frekanslarında tanımlama uygulamaları için uygun, hafif
ve ucuz olduklarından, son yıllarda artarak popüler hale gelmişlerdir [1],[2]. Diğer tür antenlerde olduğu gibi,
inkjet antenlerin de benzetim ortamlarında analiz edilmeleri ve imal edilmeden önce kapsamlı olarak test
edilmeleri büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda, tam-dalga çözücülerinin kullanılması ve bunlarla yüksek
doğrulukta çözümlerin ve benzetimlerin gerçekleştirilebilmesi, tasarım-imalat döngülerindeki iterasyon sayılarını
önemli ölçülerde azaltabilmektedir.
Bu çalışmada, papyon geometrilere sahip inkjet tipi antenler ele alınmış ve bunların yüzey integral
denklemleriyle formülasyonları gerçekleştirilmiştir. Elektrik-alan integral denklemiyle (EAİD) modellenen ve
RWG fonksiyonlarıyla ayrıklaştırılan antenler, çok seviyeli hızlı çokkutup yönteminin (ÇSHÇY) kullanılmasıyla
hızlı ve verimli olarak analiz edilmiştir [3]. Öncelikle, radyo frekanslarında tanımlama uygulamaları için
antenlerin yönlü yapılabilebilmesi amaçlanmış, bu doğrultuda antenlerin arkasına kademeli olarak büyütülen
metal zeminler eklenmiştir. Bu zeminler gerçek hayatta olduğu gibi sonlu olarak modellenmiş, dolayısıyla
anten-zemin etkileşimleri yüksek doğrulukta hesaplara dahil edilmiştir. Yönlü hale getirilen antenler için ise,
metalizasyonun azaltılması konusu ele alınmış ve bu doğrultuda gölge şeklinde verimli zeminler elde edilmiştir.
Metallerin verimli olarak kullanıldığı bu özgün zemin tasarımların, çok daha geniş zeminler kadar yönlülüğe
katkı sağladığı gösterilmiştir.
2. Sayısal Modelleme
Bu çalışmada ele alınan papyon geometrilere sahip inkjet antenler, sıfır kalınlıklı mükemmel iletkenler olarak
modellenmiştir. Basım için kullanılan kağıtlar düşük elektriksel geçirgenliğe sahip olup ve çok ince yapıdadır.
Dolayısıyla, bunlar benzetimlere sadece S-parametreleri ve giriş empedansı hesaplamalarında dahil edilmiş olup,
bu makalede gösterilen uzak-alan ışınımı örneklerinde modellenmemişlerdir. Öte yandan, uzak-alan ışınımları
doğrudan antenlerin arkasına koyulan zeminden etkilendiklerinden, bu zeminlerin doğru ve sonlu olarak
modellenmeleri büyük önem arz etmektedir. Özellikle, ele alınan inkjet antenlerde, doğrudan uyarılan papyon
kısımlar ile zeminler arasında çok kısa mesafeler bulunmaktadır.
Yakın metaller arasında oluşan
elektromanyetik etkileşimlerin yüksek doğrulukta hesaplanabilmesi için ayrıklaştırma elemanları üzerindeki
Bu çalışma, TÜBİTAK (113E129, 113E276) ve Bilim Akademisi (BAGEP-2013) tarafından desteklenmektedir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
integrallerde tekillikler çıkartılmış ve bunlara ait integral kısımları analitik olarak hesaplanmıştır. EAİD ile
gerçekleştirilen formülasyonlar sonucunda elde edilen matris denklemleri ise iteratif olarak çözülmüş ve
iterasyonlar gerekli durumlarda (özellikle zeminin büyük olduğu antenlerde) ÇSHÇY ile hızlandırılmıştır.
Şekil 1’de, gerçekleştirilen zemin çalışmalarına bir örnek gösterilmiştir. 900 MHz’te çalışmak üzere tasarlanan
papyon tipi bir anten, tek başına ve çeşitli boyutlarda zeminlerle birlikte incelenmiştir. Papyon anten, gösterilen
kaynak noktasından delta-boşlukla modellenen voltaj kaynağı ile uyarılmıştır. Papyon antenin 0.508 mm altına
yerleştirilen zeminlerin boyutları ise, antenin etrafında 2 mm’den 20 mm’ye kadar perdeleme oluşturacak şekilde
kademeli olarak büyütülmüştür. Şekil 1’de antenin üstünde ve zeminlerde oluşan elektrik akım yoğunluğu
gösterilmiştir. Beklendiği üzere, zeminlerdeki yüksek akımların antene yakın bölgelerde oluştuğu ve kenarlara
gidildikçe azaldığı gözlemlenmektedir. Bu yapılarda, antenlerin zeminlere çok yakın olmasından dolayı, başlıca
ışınım mekanizması saçaklanan alanlardır. Dolayısıyla, verimli bir ışınım için, saçaklanmaların yeterli
biçimlerde oluşabileceği zemin genişliğine ihtiyaç duyulmaktadır.
Şekil 1. Papyon geometriye sahip bir anten ve üzerine yerleştirildiği zeminler üzerinde 900 MHz’te oluşan
elektrik akımı dağılımları.
Şekil 2. Papyon geometriye sahip bir anten ve gölge zemin.
3. Gölge Zeminli Inkjet Tipi Antenler
Papyon ve benzeri türde yama antenlerin, çok yakın zeminler üzerinde oluşturdukları akım dağılımları kapsamlı
olarak incelendiğinde, bu zeminlerdeki gereksiz kısımların çıkartılabileceği gözlemlenmektedir. Görece düşük
akımların oluşturduğu bu kısımların atılması, metalizasyonu ve dolayısıyla antenin maliyetini azaltabilmektedir.
Radyo frekansında tanımlama uygulamaları için tasarlanan inkjet tipindeki antenlerde bu tür maliyet azaltıcı
işlemler, özellikle antenin performansını etkilemediği durumlarda son derece faydalı ve kritik öneme sahiptir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 3. Papyon tipi antenin farklı boyutlarda (2-20 mm) zeminlerle ve gölge zeminle birlikte kullanılmasıyla
elde edilen uzak-alan ışınım örüntüleri.
Şekil 1’de farklı zeminler üzerinde incelenmiş olan papyon anten için, geliştirilen gölge zemin, ortaya çıkan
anten sistemi, ve bu sistem üzerinde oluşan akımlar Şekil 2’de gösterilmiştir. Farklı boyutlardaki standart
zeminler ve gölge zeminle elde edilen uzak-alan ışınım örüntüleri ise Şekil 3’te verilmiştir. Bu figürlerde, uzak
alanda elde edilen göreceli elektrik alanı değerleri bistatik gözlem açısına bağlı olarak çizdirilmiş olup, 0 ve 180
derece değerleri sırasıyla ileri ve geri ışınımlara karşılık gelmektedir. Küçük boyutlarda standart zeminler
kullanıldığında geri ışınım değerleri artmış gibi gözükmektedir. Ancak, bu durumlarda esas ışınım zeminden
oluşmakta ve kaynak ile doğrudan kontrol edilememektedir. Zeminin büyütülmesiyle birlikte geri ışınım
değerleri azalmakta ve dolayısıyla anten sistemi istenilen tarafa doğru ışınım sağlayarak yönlü hale gelmektedir.
Son olarak, Şekil 3’te gölge zemin ile elde edilen sonuçlar incelendiğinde, yönlülüğün korunmasıyla birlikte
kullanılan metalin azaltılabileceği gösterilmektedir. Nitekim, Şekil 2’deki tasarım, Şekil 1’de gösterilen en
büyük zeminli sistemle benzer ışınım örüntüsü ve yaklaşık aynı yönlülüğü verebilmektedir.
4. Sonuç
Kağıt üzerine basım için uygun, papyon geometrilere sahip inkjet tipi antenler tasarlanmış ve incelenmiştir.
Antenlerin yönlülüğünün artırılması amacıyla kağıdın arka yüzüne basılmak üzere tasarlanan iletken zeminler
kullanılmıştır. İletken zeminler üzerindeki akım dağılımları incelenmiş ve gereksiz kısımların çıkartılmasıyla
gölge şeklindeki zeminlere sahip, görece ucuz, ama yönlü ışınımlar verebilen anten sistemleri elde edilmiştir.
Kaynaklar
[1]. Rida A., Yang L., Vyas R., ve Tentzeris M. M., “Conductive inkjet-printed antennas on flexible low-cost
paper-based substrates for RFID and WSN applications,” IEEE Antennas Propag. Mag., 51, s.13-23, 2009.
[2]. Subbaraman H., Pham D. T., Xu X., Chen M. Y., Hosseini A., Lu X., ve Chen R. T., “Inkjet-printed twodimensional phased-array antenna on a flexible substrate,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., 12, s.170-173,
2013.
[3]. Ergül Ö. ve Gürel L., The Multilevel Fast Multipole Algorithm for Solving Large-Scale Computational
Electromagnetics, Wiley, 2014.
Download