Design and simulation of fractal-based ring antennas for 5G wireless communications
5G kablosuz haberleşme için fraktal tabanlı halka antenlerin tasarımı ve simülasyonu
- Tez No: 775464
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uluslararası Politik Ekonomi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 61
Özet
Doğada bulunan karmaşık yapıları açıklamak için klasik geometrik yöntemler uygulanamazdı, bu nedenle Mendelbort kitaplarından birinde fraktaldan bahsetmişti ve o zamandan beri elektronikte şimşek, yaprak, kıyı kenarları ve gürültü gibi karmaşık doğaları açıklamak için yaygın olarak kullanılıyordu. sistemler. Bu fraktal geometrik şekiller, bilimsel açıklamalarda etkili bir şekilde kullanılabilecek tekrarlayan bir desen oluşturan parçanın bütünün ölçekli bir kopyası olduğu, kendi kendine benzerlik ve boşluk doldurma ile karakterize edilir. Bunu düzensizliği açıklamanın bir yolu olarak düşünebiliriz. örneğin aydınlatmaların bir ana gövdesi vardır ve daha sonra ana gövdeye benzer ancak daha küçük bir kopya olarak daha küçük olanlar ve ardından ana gövdeye benzer üçüncü daha küçük olanlar ve benzer parçalardan oluşan karmaşık bir şekil oluşturmak için alt aydınlatma vardır. Şekiller, benzer şekilde, ağaç yaprağı, tüm yaprak şeklini oluşturmak için tekrar tekrar küçültülmüş bir ana şekilden oluşur, başka bir örnek de kesirli şekilli kar tanesinde görebildiğimiz, parçalarının küçültülmüş bir kopyası olduğu yerde. daha büyük olanlar Bununla birlikte, tüm bu küçültülmüş şekillerin kendi yineleme faktörü ve yineleme sayısı vardır; burada yineleme sayısı, bu şeklin kaç kez küçültüldüğünü ve yineleme faktörü, bu şekillerin ne kadar ölçeklendiğini gösterir. Genellikle yineleme sayısı“n”ile ve yineleme faktörü“i”ile temsil edilir, bu nedenle kendi fraktalımızı oluşturmak istiyorsak“n”nin“i”tarafından kaç kez uygulanacağını seçmemiz gerekir. Fraktal şekiller doğrusal fraktallara ve doğrusal olmayan fraktallara ayrılabilir. Artımlı Fonksiyon Sistemi doğrusal olanı oluşturmak için kullanılır. doğrusal olanlara örnek olarak Koch eğrisi, Cantor eğrisi, Minkowski eğrisi, Sierpinski contası ve diğerleri verilebilir. Boşluk doldurma ve kendine benzerlik, fraktal şekillerin ana özellikleridir, örneğin bulutlar, şimşek, ağaçlar, kar taneleri ve kıyı şeritleri fraktal geometri kullanılmadan modellenemez. Aynı prensip, daha fazla elektrik uzunluğuna ihtiyaç duyulduğu ancak küçük bir hacmin mevcut olduğu anten tasarım endüstrisi gibi bazı uygulamalarda kullanılabilir. Fraktal şekiller, anten tasarımında uygun bir minyatürleştirme tekniği olarak kullanılabilecek çok benzersiz özelliklere sahiptir. Tüm fraktal şekillerin iki özelliği vardır; iterasyon faktörü 'i' ve iterasyon sayısı 'n', çünkü bunlar yinelemeli olarak üretilirler. Birkaç fraktal tabanlı mikroşerit yama anteni, tek kutuplular, UWB ve diğer birçok anten, yıllar içinde tasarlandı ve araştırıldı, çünkü bu tür fraktal tabanlı antenler, kompakt boyut, düşük seviye gibi normal eski moda klasik tasarıma göre tercih edilen bazı özelliklere sahiptir. profili, çok bantlı ve/veya geniş bantlı ve uygulanması kolay. Mikroşerit yama antenleri, en yaygın baskılı devre antenlerdir. Genel tasarımın tümü tek bir kazınmış baskılı devre olabilir. Bir yama anteni, adını temel olarak bir yer düzlemi üzerinde asılı duran metal bir yamadan oluşması gerçeğinden alır. Bir yama anteninde, yayılmanın çoğu yer düzleminin üzerindedir ve yüksek yönlü kazanca sahip olabilir. Mikroşerit antenler, şerit besleme hattı, dielektrik sabiti olan bir alt tabaka ve iletken bir zemin düzlemi olmak üzere üç ana parçaya sahiptir. Herhangi bir anten tasarlamaya başlamanın anahtarı, bu antenin hangi bantta çalışacağını belirlemektir, çünkü tüm boyut ve malzeme seçimi antenin hangi frekans bandında çalışacağına bağlıdır. Bizim durumumuz için önerilen üç anten Bu bölümde ele alınacaklar, ana 5G bantlarından ikisi olarak kabul edilen 3.1 – 4.1 GHz ve 6.1 – 8.1 GHz bantları için önerilmiştir, 3.1 – 4.1 GHz bandı farklı bantlara ayrılmıştır, ancak bu alt bantların neredeyse tamamı -bantlar, 5G iletişim sistemlerinin çalışma spektrumu için gerçekten önemli kabul ediliyor. Özellikle Güney ve Kuzey Amerika'da uluslararası mobil telekomünikasyon (IMT) şimdiden bu bantlara kaydırılıyor. Ve henüz kullanılmadıysa, en azından kullanılmak üzere analiz ediliyor, aynı zamanda 5G orta bant spektrumu olarak da adlandırılıyor. Diğer önemli bant, gelecekteki 5G uygulamaları için çok umut verici olduğu düşünülen 6.5 ile 8.5 arasındaki bantlar olan Wi-Fi6 etrafındaki spektrum bandıdır. Herhangi bir fraktal şeklin oluşturulması iki faktöre bağlıdır; yineleme sayısı“n”ve yineleme sayısı fraktal şeklin kaç kez küçültüldüğünü temsil ettiği yineleme faktörü“i”veya yukarı ölçeklendirilmiş ve yineleme faktörü nasıl ölçeklendiğini tanımlar. Birkaç fraktal tabanlı mikroşerit yama anteni, monopoller, UWB ve diğer pek çok anten gibi yıllar içinde tasarlandı ve araştırıldı, çünkü bu tür fraktal tabanlı antenler, kompakt boyut, düşük güç gibi normal eski moda klasik tasarıma göre tercih edilen bazı özelliklere sahiptir. profili, çok bantlı ve/veya geniş bantlı ve uygulanması kolay. Minkowski ve Koch fraktalları mikroşerit yama anten tasarımlarında daha önce birçok araştırmada uygulanmış olsa da, iterasyon faktörü“i”değiştirmenin etkisi birçok araştırmada da incelenmiştir. Benzer şekilde, fraktal antenleri tasarlarken, ilk antenimiz için prosedür, çalışma bandını belirlemekle başlar, çünkü antenimiz 5G orta bandında yayılmaya yöneliktir, bu nedenle rezonans frekansı 3.5 GHz civarında olmalıdır. Antenin parametreleri, hangi anten tipine ve hangi bantlarda çalışacağına göre dikkatlice seçilmelidir, bizim durumumuzda seçilen tip mikroşerit yama antendir ve çalışma bandı 3.5 GHz'dir, bu nedenle besleme yöntemi olarak tasarımda basitlik ve kompaktlık sağlayan mikroşerit hat beslemesini (MSL) seçtik. Bununla birlikte, mikroşerit besleme hattının (Lf) uzunluğu, rezonans frekansının λ/4'ü civarında olmalıdır. Mikroşerit yama antenlerde bilindiği gibi birbirine kazınmış üç katmandan oluştuğu için ilk katman zemin katmanı, ardından altlık katmanı ve son olarak da en üstte yayılan yamadır. Ancak FR-4 substratı olan orta tabakanın kalınlığı 1 mm ve mikroşerit hattının genişliği 1.6 mm olarak seçilmiştir, böylece anten portunda birlikte 50 ohm'luk bir empedans sağlarlar. daha iyi yayılım için, bu mikroşerit hat besleme empedansı hesaplamaları mikroşerit antenlerin hesaplamalarına göre yapılmıştır. Ayrıca, yayılan yamanın tahmini genişliği ve uzunluğu aynı hesaplamalara göre hesaplanmıştır. yaklaşık 3x10^8 m/s'ye eşittir, f0 yayılmanın rezonans frekansıdır, εr dielektrik sabitidir, FR-4 substratının kalınlığıdır ve W yamanın genişliğidir. denklemlere göre 16 mm genişliğinde ve 11 mm uzunluğunda dikdörtgen şekilli bir yama. Daha sonra dikdörtgen yamanın dört açısını inceltildi. Bu anten, -22 dB civarında S11 ile 3.1- 4.9 GHz arasında yayılır ve yansıma katsayısının 1.97 dBi kazancına sahiptir. Daha sonra, fraktal konsept kullanılarak, antenin bu aynı yayılan yaması kopyalandı ve i=0.8 kadar küçültüldü, ardından elde edilen küçültülmüş yama, tek halkalı anteni oluşturmak için ilk yamadan çıkarıldı. ayrıca yaklaşık -18 dB'lik bir S11'e sahip olan 3.5 GHz'de bir rezonans frekansı ile 3.1 – 4.3 GHz arasında yayılır. Ancak antenin önden, yandan ve arkadan görünüşünü göstermektedir. Anten arkadan görünümünde de görebileceğimiz gibi, zemin katmanının üst kısmı hem sağdan hem de soldan ayna gibi inceliyor. Zemin katmanındaki bu incelmeler, antenin yayılmasını ve S11 performansını iyileştirmeye yardımcı olur. Bu fraktal tabanlı tek halkalı anten, iyi bir radyasyon modeline ve 2.0 dBi civarında bir kazanca sahiptir. Tek halkalı antenin aynı parametreleri kullanılarak, ancak bu sefer iki farklı bantta yayılma elde etmek için ana halkanın içine daha küçük bir halka daha eklenerek, iç halka, dış halkanın 0,75 oranında küçültülmüş bir kopyasıdır. Her halkanın çevresi, bu halkanın merkez frekansındaki frekans bandına karşılık gelir. simülasyonlar CST mikrodalga stüdyo simülatörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Önerilen anten kendine benzeyen iki yayılan halkası nedeniyle, merkez frekansları sırasıyla 3.5 GHz ve 7 GHz olan 3.1 – 4.1 GHz ve 6.1 - 8.1 GHz'lik ana 5G çalışma bantlarından ikisini kapsıyor. Tasarlanan anten, aynı bantlarda çalışan diğer antenlerden daha küçük kabul edilen 27x16 mm2 darbe boyutuna sahiptir. Ayrıca, mikroşerit hat beslemesinin genişliği 1.9 mm'ye ayarlanmıştır ve FR4 substratının kalınlığı 1 mm'ye ayarlanarak 50 ohm'luk bir empedans uyumu oluşturulur. Anten, -20 dB civarında iyi bir yansıma katsayısı (S11), geniş bant genişliği, her iki bant için iyi bir radyasyon modeli ve birinci ve ikinci bantlar için sırasıyla 2.29 dBi ve 2.51 dBi kazanç gösterdi; 5G uygulamaları için iyi bir adaydır. Son olarak, zemin katmanına iki simetrik üçgen kesim eklemenin etkisi, farklı kesim boyutlarının yanı sıra daha küçük halkanın ölçek faktörünün ve zemin katmanının uzunluğunun değiştirilmesi için incelenmiştir. Dual-ring dual-band anteni geliştirmek için 4x1 MSL MIMO (Multi Input Multi Output) anten yapısı gerçekleştirilmiş, anten önceki antenlere benzer şekilde dielektrik sabitli FR-4 substrat üzerinde tasarlanmıştır. 4.3'ün 90.70 x 42.50 x 2.2 mm3 boyutuna sahip. iki yayılan eleman arasındaki mesafe, rezonans frekansı 3.5GHz'de düşük frekans bandının λ/8'ine eşit olacak şekilde ayarlanır. Her antenin toplam MSL'sinin uzunluğu, alt bandın rezonans frekansının λ/4'ü civarında bir şeye eşit olacak şekilde ayarlanmıştır. Bu MIMO antenin S11 performansı, daha önce bahsedilen çift halkalı antene göre çok daha iyi, görüldüğü gibi bu anten ilk bandında hem S11 hem de S22 için -45 ile -55 dBi arasında bir yansıma katsayısı değerine sahip. merkez frekansı. İkinci bantların da S11 ve S22 performansı, merkez frekansında -30 ila -35 dBi civarında bir değere yükseltildi.
Özet (Çeviri)
After the rolling-out of 5G communication systems the develpement of smaller and more effective components are still on-going since it is always important to keep up with the development of the technology, therefore smaller and compact and easy to fabricate components are the main aim of the sicentific community these days. Since the 5G systems are somehow smaller than the old systems' components it arises the fact that the newly- designed components have to has space limitations during the design stages. In this work, by focusing on two of the main 5G bands which are the bands centered on 3.5 GHz and 7GHz three types of antennas were designed and implemented by using CST Microwave studio simulator. The antennas were designed using the fractal concept which charactarized by space-filling and self-similarity so that no need for an extra space when we already have a limited one. The design of the first antenna started by designing a cut-angles rectangular patch antenna that propagates at 3.5 GHz, then by copying and then scaling-down the same patch and later substracting it from the main patch we got a single ring cut-angles rectangular patch antenna that propagates at 3.5 GHz with a reflection coefficient of -19 dB and a gain of 2dBi. The second antenna was created by scaling-down the full ring of the first antenna and create a similar inner ring that propagates at 7 GHz center frequency and has a bandwidth between 6.25-8.1 GHz, this antenna is able to propagate at two different 5G frequency bands centered at 3.5 GHZ and 7 GHz respectivey. This antenna has a reflection coefficient S11 of around -20 dB for both resonant frequencies of both bands, and has a gain of 2.29 dBi and 2.51 dBi for the two bands at their center frequency. All these antennas have a microstrip feeding line with a length of 16 mm which equal to something around λ/4 of the first band's center frequency, all the antennas have an FR-4 substrate thickness of 1 mm and a width of the feeding line of 1.6 mm so that together they provide a 50-ohm impedance at the input port which assure that most of the input port's waves are being propagated. Finally, in order to increase the gain a 4x1 antenna array was designed to propagate at the same bands, this array has two feeding ports that designed in an inverted way to improve the matching between the array elements, each port is connected to only two propagating elements by a tree shaped λ/4 length microstrip has a reflection coefficient of around -45 dBi and -35 dB for both bands at their center frequencies, respectively. This array antenna has also a gain for the 3.5Ghz centered band of 5.64 dBi for port 1 and 5.648 dBi for port 2, and for the 7 GHz band the gain was equal to 8.39 dBi and 8.4 dBi for port 1 and port 2, respectively.
Benzer Tezler
- Fraktal anten parametrelerinin metamalzemeler yardımıyla iyileştirilmesi
Improvement of fractal antenna parameters by metamaterials
EMİNE CEREN DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİskenderun Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİN ÜNAL
- Kaotik fraktal yapılar kullanılarak tasarlanan metamalzemelerin sinyal emici ve sensör uygulamalarındaki başarımı
Performance of metamaterials designed using chaotic fractal structures in signal absorber and sensor applications
SAİT ÜNAL
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYozgat Bozok ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET SERTOL KÖKSAL
- Hesaplamalı tasarım ve yapı bilgi model entegrasyonu dynamo ile yeni olanakların araştırılması
The integration of computational design and building information modelling the research of new possibilties with dynamo
ENES KAAN KARABAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
- Design and analysis of wearable antennas for use in wireless biomedical telemetry systems
Kablosuz biyomedikal telemetri sistemlerinde kullanım için giyilebilir antenlerin tasarımı ve analizi
AMMAR ISAM MOHAMMED AL ADHAMI
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGUN ERÇELEBİ
- A fractal antenna based on sierpinski gasket monopole
Sierpinski monopolü temelli fraktal anten
ADEM ÇELEBİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEMAL ÖZMEHMET