BLC phase shifter low-cost antenna array design
BLC ile faz değiştiren düşük maliyetli anten dizi tasarımı
- Tez No: 666660
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Bilişim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 108
Özet
Faz dizili antenler genelde yüksek maliyetli faz değiştiriciler kullanılarak tasarlanmaktadırlar. Bu tezin amaçlarından birisi düşük maliyetli faz değiştirici kulanarak anten dizilerini tasarlamaya katkıda bulunmaktır. Anten dizilerinde, aralarında sabit bir mesafe bırakılarak faz dizili anten tasarlanmaktadır. Bu tezde yapılan çalışma antenin yönlülük açısını, voltajı ayarlayarak değiştirebilmeyi mümkün kılmaktır. Bunu yaparken faz değiştiricisiz antenler, tekil faz değiştirici ve faz değiştiricili antenler olarak ayrı ayrı simüle edildi ve ölçümleri alındı. Ölçümler Vector Network Analizör ve anten ölçüm sistemi yardımı ile alındı. Öncelikli olarak BLC faz değiştirisi konusuna yer verildi. Standart bir BLC tasarımı giriş portları 50-ohm ve dalları 50,35.4,50 ve 35.4-ohm olan faz değiştiricisi yerine tek bir basamakta daha fazla faz değiştirmeyi mümkün kılan tasarım yapılmıştır. Standart faz değiştiricisi ile tezde kullanılan faz değiştiricinin aynı faz değişikliğine ulaşabilmesi için sistemlerin arka arkaya bağlanması gerekmektedir. Bu durum hem iletim hattı kaybını arttırmaktadır, hem de faz değiştiricinin boyutunu istenilen faz değişikliğini elde edebilmek için iki ya da üç katına çıkarmaktadır. BLC faz değiştiriciyi küçük boyutlarda gerçekleştirmek tez için önemli adımlardan birisidir. Böylece farklı anten sistemlerine ekleyebilmek adına yapılması gerekenlerden birisidir. Bunu yaparken BLC faz değiştirici kısmında teorik olarak hesaplamalara yer verilmiştir. BLC, maksimum faz değişikliğine 𝑟𝑍 4 olduğunda ulaşılmaktadır. Üretilebilirlik adına daha ince bir substrate kullanılmıştır. Böylece hatlar arasındaki boşluklar üretilebilir hale gelmiştir. Voltaj değişikliği, fazı teorik olarak yaklaşık 4 radyana kadar değiştirilebilmektedir. Fakat gerçekte bu değer üretim toleranslarından dolayı düşebilmektedir. Faz değiştirici tasarlayabilmek için ferrit malzemeler, dijital faz değiştiriciler ve tek bir faz değeri değiştiren iletim hatları kullanılabilmektedir. Fakat bu tezde uygulanan metot ile faz sürekli olarak değiştirilebilmektedir Ölçüm sonucunda en fazla faz kayması 5.92 GHz'de 75 derece olarak gözlemlenmiştir. Faz kaymasının merkez frekansını değiştirmek için BLC yapısı, bobin ve kapasitör değerleri değiştirilebilir. BLC faz değiştiricileri ve BLC faz değiştiricisi olmaksızın seri bağlı anten dizilerinin ve ortak beslemeli anten dizilerinin simülasyon ve ölçüm sonuçlarına tezde yer verilmiştir. Bu tezin amaçladığı muhtemel kullanım alanları 5 GHz ISM bant ile 5G uygulamalarıdır. Farklı kullanım alanları için ufak değişiklikler yapılarak istenilen frekans bandına çekilebilir.BLC dizi anten serisi, haberleşme ara sistemleri ve verici sistemlerinde kullanılabilir. Tez için üretilen antenlerde kullanılan pasif elemanların sapmalarından ve üretim toleranslarından dolayı antenlerin merkez frekanslarında kaymalar gözlemlenmektedir. Fakat genel olarak baktığımızda, ölçümle elde edilen sonuçların simülasyon ile benzerlik gösterdiği görülmüştür. Tez için üretilen antenlerde iki farklı besleme şebekesi kullanıldı; seri ve ortak besleme şebekesi. Ortak besleme şebekesi için tekli, çiftli ve dörtlü yama antenleri tasarlandı. Seri için ise tekli, çiftli ve beşli anten dizileri tasarlandı. Anten dizileri haricinde tezde kullanılan ortak şebeke, faz değiştiricisi gibi yapılarında tekil performansları teze eklendi. Geri dönüş kaybı ölçümleri R&S ZNB8 ile ve uzak alan ölçümleri ise R&S WPTC ile gerçekleştirildi. Ölçüm sistemi 600 MHz'den 18 GHz'e kadar olan antenlerin uzak alan sonuçları, anten verimliliği ve kendi başına yayın yapan sistemlerin TRP, TIS gibi değerleri ölçülebilmektedir. Ölçüm sisteminde, elevasyon açısında dönen antenin ölçüm alınan antene olan uzaklığı 1 metrenin altındadır ve bu sebeple ölçüm yapılan anten büyüdükçe uzak alandan fresnel alanına doğru girilmektedir. Bu nedenle ilerleyen zamanda teze eklenecek olan beşli seri anten yapılarındaki sapmalar bu sebebe bağlanabilir. Anten sistem verimliliği; kullanılan malzeme, anten topolojisi ve BLC'nin araya girme kaybından dolayı düşük olabilmektedir. Amaç son ürün olarak kullanılacak bir tasarımdan ziyade faz değiştiricinin sisteme eklenme aşamalarını göstermek ve karşılaşılacak problemlerin bazılarına atıfta bulunmaktır. Simülasyonu ve ölçümü yapılan sistemlerin sırası ile performanslarına yer verilmiştir. Empedans uyumlaştırması sonrasında ortak besleme devresi sisteme girerek sinyali eşit seviyede bölüp antenlere ulaştırmaktadır. Tezde yapılan tasarımda toplamda bir giriş ve dört çıkış olmak üzere beş portlu bir yapı üretilmiştir. Ortak besleme devresi, tasarımın boyutunu minimize etmek adına çeyrek dalga dönüştürücü kullanılmadan tasarlandı. 50-ohmluk antene giriş yapan hatlar ve sistemin ana girişi olan port 100- ohm olarak tasarlanmıştır. Besleme devresinin simülasyon ve ölçüm sonuçları ilgili bölümde verilmiştir. Fakat referans alınan 5.8 GHz bandında geri dönüş kaybı -15 dB'nin altında ölçülmüştür. Tasarımı iyileştirmek adına yapma dirsek yapısı gelecek tasarımlarda kullanılabilir. Simülasyon sonucuna göre geri dönüş kaybında daha iyi performans gözlemlenmiştir. Tezde ilk anten yapısı içten beslemeli tekli yama antendir. Antenin yama kısmının genişlik ve uzunluk formülleri ilgili bölümde verilmiştir. Teorik hesaplamadan elde edilen değerler CST programına aktarılmış ve sonrasında daha iyi bir performans için simülasyonda optimize edilmiştir. Transient method kullanılarak elde edilen değerler içten beslemeli yama anten için korelasyon göstermektedir. Simülasyonda geri dönüş kaybının -10 dB'nin altında kalan bant 200 MHz'den azken gerçek ölçüm sonucunda 5 GHz ile 7 GHz arasında ölçülmüştür. Verimlilik değeri ise simülasyon sonucundan daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Antenin yönlülük değeri simülasyonda 6.8 dBi iken gerçek ölçüm neticesinde 6,42 dBi olarak tespit edilmiştir. Tezde ikinci yapı olarak dikdörtgen yama anten yapısına yer verilmiştir. Dikdörtgen yama anten seri besleme devreli yapılarda kullanılmak üzere tasarlanmıştır. S parametresi düşük bir bant için -10 dB'nin altında olsa da gerçek ölçüm neticesinde 5- 7 GHz arası -12 dB'nin altındadır. Verimlilik değerinin, 5.8 GHz'de neredeyse birebir örtüşmesiyle beraber ölçüm alınan bantta oldukça yakınlık göstermiştir. Yönlülük değerleri simülasyonda 9 dBi iken gerçek ölçümde 7.85 dBi olarak gözlemlenmiştir. Çiftli içten beslemeli anten yapısında ise geri dönüş kaybının merkez frekansında yaklaşık 400 MHz kayma gözlemlenmiştir. Verimlilik değeri belirtilen frekans bandında simülasyondan daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Merkez frekanstaki kaymanın sebebi üretim toleransı olabiliyorken, bu kayma antenin ışıma örüntüsünün de değişmesine sebebiyet vermiş olabilmektedir. Performans iyileştirilmesi için iki yama anten arasındaki mesafe simülasyonda optimize edilse de gerçek hayattaki performansının iyileştirilmesi için ölçüm sonuçlarına göre optimize edilmesi gerekmektedir. Genel olarak, faz değiştiricili ve faz değiştiricisi olmayan tüm yapıların uzak alan, anten verimliliği ve geri dönüş kayıplarının, simülasyon ve ölçüm sonuçlarına detaylı olarak tezde yer verilmiştir. İdeale en yakın sonuçları alabilmek için tasarımda birden fazla deneme yapılması gerekmektedir. Tezdeki amaç simülasyon ile gerçek ölçüm arasındaki korelasyonu göstermek ve neticesinde fazın değişip değişmediğini gözlemleyebilmektir. Ölçüm sonuçlarındaki farklılığın ana sebebini saptayıp ve gelecekte bunu bertaraf etmek için yapılacak çalışmalar bulunsa da kök nedenleri arasında üretimdeki sapmalar, malzemelerin toleransı, simülasyon programındaki yakınsamalar ve anten yapısının büyümesi ile uzak alandan çıkılması sayılabilir. Bunlara ek olarak, anten sistemine voltaj uygulandığında varactörün yanma problemi de ele alındı. Resistör ile uygulandığında RF karakteristiği bozulduğu gözlemlendi. Bu durumla alakalı çözüme sonuç bölümünde yer verilmiştir. Sonuç olarak, tezde yer verilen pasif RF tasarımlarından sonra gelecek çalışmalar için anten sistemindeki kayıpların giderilmesi için kullanılacak olan düşük gürültülü yükseltici tasarımı yapılabilir.
Özet (Çeviri)
Phased Array antennas are generally developed by high-cost phase shifter. The dissertation aims to contribute by low-cost phase shifter with antenna arrays. The purpose of this master thesis, besides the complex and high cost-integrated phase shifter, is a simpler, low-cost, easy-to-design Branch Line Coupler used for antenna array systems. The voltage can control the phase. Phase difference theoretically will up to more than 4-radian phase change. Series Patch Array and Corporate Fed patch arrays are shown in the dissertation with BLC phase shifter and without BLC Phase Shifter. Single, dual, quadrature corporate feed network patch antennas as well as single, dual and pentad series feed are given in the oncoming section. Thesis including Standalone corporate feed network and BLC phase shifter performance. S-Parameters, efficiency and far-field simulation and measurement results of all antennas are attached to thesis. There are various ways to implement phase shift in the systems, for instance, ferrite materials, Digital phase shifter, constant phase shift with transmission lines, and switch. However, by this method, it can be changed continuous phase shift. This dissertation purposed main application areas are 5 GHz ISM band and 5G. Frequency is selected for a feasible 5G frequency in Europe and Turkey. It will not be proper to use in narrow areas like cell phones but can be used in the intermediate Systems or transmitter system. Antenna system efficiency can be low because of selected material, antenna topology, and BLC insertion loss, but we aim to implement it within the stages. Losses can be compensated with Low Noise Amplifier.
Benzer Tezler
- Design of an x-band 3-bit rf mems constant phase shifter
X-bant 3-bit rf mems sabit faz kaydırıcı tasarımı
AHMET KUZUBAŞLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR
- Balçova-Mavişehir ve Güzelbahçe (İzmir) kuvvetli yer hareketi istasyon zeminlerinin uygulamalı jeofizik yöntemlerle incelenmesi
Investigation of the ground belonging to Balçova-Mavişehir and Güzelbahçe (Izmir) strong ground motion stations by using applied geophysical methods
ÖZNUR ZORLU KÜLÇE
Doktora
Türkçe
2010
Jeofizik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA AKGÜN
- Noktasal 1-tipinde kanonik vektör alanına sahip yüzeyler
Surfaces with pointwise 1-type canonical vector field
ERAY DEMİRBAŞ
- Subtropik iklim koşullarında yetiştirilen Çukurova Saaneni ve Balcalı çepiçlerinde mevsimsel variyasyona bağlı olarak ortaya çıkan fizyolojik değişiklikler
Studies on the physiological responses related to seasonal variation in Çukurova Saanen and Balcali goats under sub-tropical climate conditions
DUYGU KAYABAŞI
- Lebesgue constants on cantor type sets
Kantor tipi kümelerde lebesgue sabitleri
YAMAN PAKSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Matematikİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMatematik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALEXANDRE GONCHAROV