Design, simulation, and fabrication of a circularly polarized MIMO antenna with improved isolation
Geliştirilmiş izolasyona sahip dairesel polarize MIMO anteninin tasarımı, simülasyonu ve üretimi
- Tez No: 938384
- Danışmanlar: PROF. DR. MESUT KARTAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 144
Özet
Dairesel polarize (CP) antenler, çoklu yol sönmesi ve polarizasyon uyumsuzluğu gibi yaygın zorlukları çözmedeki benzersiz yetenekleri nedeniyle modern kablosuz iletişim sistemlerinde giderek daha önemli hale gelmiştir. Bu özellikler, CP antenlerini Kablosuz Yerel Alan Ağları (WLAN), Endüstriyel, Bilimsel ve Tıbbi (ISM) bant ve uydu iletişimi için son derece arzu edilen hale getirmektedir. CP antenlerinin lineer polarize antenlere göre en dikkat çeken avantajlarından biri, ve alıcı antenler arasında hassas hizalamaya gerek duymama. Bu avantaj, özellikle dinamik veya tahmin edilemeyen anten yönelimlerinin söz konusu olduğu senaryolarda sistem tasarımında esnekliği ve operasyonel rahatlığı önemli ölçüde artırmaktadır. CP antenlerin, çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) sistemleriyle entegrasyonu, kablosuz iletişimdeki faydalarını daha da artırmaktadır. MIMO teknolojisi, kanal kapasitesini artırmak, çeşitlilik kazancı sağlamak, veri hızlarını iyileştirmek ve sinyal kalitesini artırmak gibi bir dizi kritik performans iyileştirmesi elde etmek için birden fazla anten elemanı kullanır. Bu avantajlar, modern uygulamalarda yüksek hızda ve güvenilir iletişim taleplerini karşılamak için hayati öneme sahiptir. Ancak, MIMO sistemlerindeki komşu anten elemanları arasındaki karşılıklı kuplaj (mutual coupling), izolasyon ve korelasyon performansını zayıflatabilir ve böylece genel sistem verimliliğini sınırlayabilir. Bu zorlukları aşmak için bu çalışma, yenilikçi bir izolasyon yapısına sahip yeni bir CP MIMO anten tasarımını önermektedir. Bu tasarım, özellikle komşu antenler arasındaki karşılıklı kuplajı azaltmayı hedefleyerek, izolasyon ve genel performansı iyileştirmektedir. Önerilen anten tasarımı, geleneksel CP MIMO antenlere kıyasla önemli ilerlemeler göstererek, yüksek performanslı kablosuz iletişim sistemleri için sağlam bir çözüm sunmaktadır. Önerilen CP MIMO antenin deneysel sonuçları, etkileyici performans ölçütleri ortaya koymaktadır. Pratik açıdan bakıldığında, RHCP ve LHCP antenlerini birbirine dik yerleştirmenin otomatik olarak izolasyonu artıracağı fikri bir yanılgıdır. Aslında, bir ayrıştırma yapısının anten tasarımına dahil edilmesi daha iyi izolasyon sağlar. Bu durumu lineer polarizasyon antenlerinden ayırmak çok önemlidir çünkü dik açılı yerleştirilmesi genellikle yüksek izolasyona neden olur. Çalışmalar, yan yana yerleştirilmiş zıt polarizasyon rotasyonlarına sahip dairesel polarize antenlerin, aynı rotasyon yönüne sahip dairesel polarize antenlere kıyasla yüksek izolasyon elde etmeyi daha zor hale getirdiğini göstermiştir. Bu, dairesel polarizasyon anten yapılandırmalarında izolasyon sağlamanın giderek daha karmaşık hale geldiğini göstermektedir. Anten tasarımı, maliyet etkinliği ve iyi elektriksel özellikleri nedeniyle FR-4 alt tabakaları üzerinde tüm bileşenleri entegre eder. FR-4, gerekli performans özelliklerini korurken antenin güvenilir kalmasınıda sağlar. Bu anten tasarımı, yayıcı parçaların altına yerleştirilmiş kutu şeklindeki bir reflektörü içerir. Bu reflektörün temel görevi, pratik uygulamalarda sürekli performansın korunması için radyasyon yönenimlerini stabilize etmektir. Dolayısıyla, radyasyonu belirli bir yönde odaklamaya yardımcı olur ve bu da antenin yönlülüğünü artırır ve istenmeyen saçılmayı azaltır. Tasarım süreci boyunca, kutu şeklindeki reflektör için optimal boyutları belirlemek amacıyla birkaç parametrik analiz yapıldı. Antenin sinyal iletimini ve yansıma verimliliğini belirlemek için S parametreleri gereklidir. Bu parametrelerin en iyi şekilde ayarlanması, antenin güç kaybı veya performans kaybı olmadan sorunsuz bir şekilde çalışmasını sağlar. Sonuçlar, hem port-R hem de port-L için 2.03 GHz ile 2.57 GHz arasında %23.48'lik bir bant genişliği göstermektedir. Bu bant genişliği, antenin çok çeşitli iletişim koşullarında çalışabilmesi için gereklidir. Ayrıca, antenin çok yönlülüğünü artırır ve çeşitli iletişim standartlarını destekler. İlaveten, Anten tasarımında kritik bir parameter olarak, iki port arasındaki izolasyon -10 dB'nin altında kalmaya devam ediyor. İzolasyon, iki anten arasındaki bağımsızlık derecesini ölçer ve farklı portlardan gelen sinyallerin birbirine karışmasını önler. Önerilen CP MIMO antenin portları arasındaki izolasyon konusunda, aynı kategorideki tasarımlara göre önemli bir iyileşme göstererek 15.2 dB'lik bir değere ulaşmaktadır. Bu gelişmiş izolasyon, portların arasındaki paraziti azaltarak, sinyal bütünlüğünü korumaya ve optimal MIMO performansını elde etmeye doğrudan katkı sağlar. Ayrıca, anten sağ el dairesel polarizasyon (RHCP) için 6.28 dBic ve sol el dairesel polarizasyon (LHCP) için 6.05 dBic gibi önemli kazanç değerleri sergilemektedir. Bu kazanç değerleri, antenin dairesel polarize sinyalleri etkili bir şekilde yayma ve alma yeteneğini göstererek, sağlam polarizasyon performansı gerektiren uygulamalar için son derece uygun olduğunu ortaya koymaktadır. Antenin tepe verimliliği %62'nin üzerinde olup, enerji verimli tasarımını vurgulamaktadır. Bu tür verimlilik seviyeleri, modern iletişim sistemlerinde, performanstan ödün vermeden güç tüketimini minimize etmenin kritik bir gereksinim olduğu durumlar için önemlidir. Ayrıca, tasarımdaki parazitik elemanların izolasyon elemanları olarak kullanılması, karşılıklı kuplajı minimize etmede önemli bir rol oynamaktadır. Bu elemanlar, reaktif yükler olarak davranarak komşu antenler arasındaki elektromanyetik etkileşimi değiştirir. Ayrıca elemanların uzunluğunu ve konumunu stratejik olarak ayarlayarak, tasarım neredeyse ideal empedans eşleşmesi ve optimize edilmiş akım dağılımı elde eder, bu da geliştirilmiş izolasyon ve kararlı ışıma desenlerine yol açar. Önerilen CP MIMO anteninin yenilikçi özellikleri, genel sistem performansı üzerinde doğrudan ve olumlu bir etki yapmaktadır. Kararlı ışıma desenleri, çalışma frekans bandı boyunca tutarlı kapsama ve sinyal kalitesi sağlarken, gelişmiş izolasyon ise parazit ve sinyal bozulması risklerini en aza indirir. Bu özellikler, anteni özellikle yüksek veri trafiği ve sıkı performans gereksinimlerine sahip ortamlara, örneğin uydu iletişimleri, WLAN ve ISM bandı uygulamalarına son derece uygun hale getirmektedir. Ayrıca, antenin çift duyarlı dairesel polarizasyonu, çeşitli sinyal yönelimlerini etkili bir şekilde işleyebilmesini sağlar. RHCP ve LHCP özellikleri, çeşitli iletim ve alım senaryolarıyla uyumluluğu garanti eder, bu da antenin çok yönlülüğünü daha da artırır. Bu çift duyarlı özellik, üstün izolasyon ve kazanç özellikleriyle birleşerek, önerilen anteni yüksek güvenilirlik ve performans gerektiren ileri düzey MIMO sistemleri için ideal bir seçenek yapmaktadır. Sonuç olarak, bu çalışmada önerilen CP MIMO anteni, yüksek performanslı kablosuz iletişim sistemleri için anten tasarımında önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Yenilikçi bir ayrıştırma yapısı ekleyerek ve parazitik elemanların kullanımını optimize ederek, tasarlanan anten iyileştirilmiş izolasyon ve kararlı radyasyon desenleri yanında verimli çok yol etkisi yönetimi sağlar. Bu özellikler, güvenilirlik ve veri bütünlüğünün kritik olduğu zorlu iletişim ortamlarında üstün performans sağlar. Deneysel sonuçlar, antenin gerçek dünya uygulamaları için potansiyelini doğrulamaktadır ve WLAN, ISM bantları ve uydu iletişimleri için uygunluğunu göstermektedir. 15.2 dB'lik gelişmiş izolasyon, 6.28 dBic ve 6.05 dBic'lik kazanç değerleri ve %62'yi aşan verimlilik, önerilen anteni modern kablosuz sistemler için öncü bir çözüm haline getirmektedir. Karşılıklı kuplaj ve polarizasyon zorluklarını ele alma özelliği, anteni gelecek nesil MIMO sistemleri için öne çıkararak, çeşitli senaryolarda güvenilir ve yüksek hızlı iletişimi sağlamak için kullanılabilir bir çözüm haline getirmektedir. Bu çalışma, CP MIMO antenlerinin kablosuz teknolojiyi ilerletmedeki potansiyelini vurgulamakla kalmaz, aynı zamanda gelecekteki araştırma ve geliştirmeler için bir temel sağlar. Burada sunulan yenilikçi tasarım ilkeleri ve performans optimizasyonları, daha verimli ve çok yönlü anten sistemleri geliştirmek için bir referans noktası olarak hizmet edebilir ve kablosuz iletişim alanındaki ilerlemeyi daha da hızlandırabilir.
Özet (Çeviri)
Circularly polarized (CP) antennas have become increasingly integral in modern wireless communication systems due to their unique ability to address common challenges such as multipath fading and polarization mismatch. These capabilities make them highly desirable for Wireless Local Area Networks (WLAN) applications, Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands, and satellite communications. One of the most notable advantages of CP antennas over their linearly polarized counterparts is their ability to eliminate the need for precise alignment between transmitting and receiving antennas. This feature significantly enhances flexibility in system design and operational convenience, particularly in scenarios involving dynamic or unpredictable antenna orientations. Integrating CP antennas with multiple-input multiple-output (MIMO) systems further elevates their utility in wireless communication. MIMO technology employs multiple antenna elements to achieve several critical performance enhancements, including increased channel capacity, diversity gain, improved data rates, and enhanced signal quality. These benefits are pivotal for meeting the ever-growing demands for high-speed, reliable communication in modern applications. However, the close proximity of multiple antenna elements in MIMO systems often leads to mutual coupling, which can degrade isolation and correlation performance, thereby limiting the overall system efficiency. To address these challenges, this study proposes a novel CP MIMO antenna design that incorporates an innovative decoupling structure. This design specifically targets the reduction of mutual coupling between adjacent antennas, thereby enhancing isolation and overall performance. The proposed antenna design demonstrates significant advancements over conventional CP MIMO antennas, making it a robust solution for high-performance wireless communication systems. The experimental evaluation of the proposed CP MIMO antenna reveals impressive performance metrics. The isolation between the antenna ports achieves a minimum value of 15.2 dB, marking a substantial improvement compared to conventional designs. This enhanced isolation directly contributes to reduced inter-port interference, which is crucial for maintaining signal integrity and achieving optimal MIMO performance. Additionally, the antenna exhibits commendable gain values of 6.28 dBic for right-hand circular polarization (RHCP) and 6.05 dBic for left-hand circular polarization (LHCP). These gain values indicate the antenna's ability to effectively radiate and receive circularly polarized signals, making it highly suitable for applications requiring robust polarization performance. The peak efficiency of the antenna exceeds 62%, highlighting its energy-efficient design. Such efficiency levels are critical for modern communication systems, where minimizing power consumption without compromising performance is a key requirement. Furthermore, the use of parasitic elements as decoupling stubs in the design plays a pivotal role in minimizing mutual coupling. These stubs act as reactive loads, altering the electromagnetic interaction between adjacent antennas. By strategically tuning the length and position of the stubs, the design achieves near-ideal impedance matching and optimized current distribution, leading to enhanced isolation and stable radiation patterns. The innovative features of the proposed CP MIMO antenna have a direct and positive impact on overall system performance. The stable radiation patterns ensure consistent coverage and signal quality across the operating frequency band, while the enhanced isolation minimizes the risk of interference and signal degradation. These attributes make the antenna particularly well-suited for environments characterized by high data traffic and stringent performance requirements, such as satellite communications, WLAN, and ISM band applications. Moreover, the dual-sense circular polarization of the antenna enables it to handle diverse signal orientations effectively. The RHCP and LHCP capabilities ensure compatibility with various transmission and reception scenarios, further enhancing the antenna's versatility. This dual-sense feature, combined with the superior isolation and gain characteristics, makes the proposed antenna an ideal choice for advanced MIMO systems that demand high reliability and performance. In conclusion, the CP MIMO antenna proposed in this work represents a significant advancement in antenna design for high-performance wireless communication systems. By incorporating an innovative decoupling structure and optimizing the use of parasitic elements, the antenna achieves remarkable isolation, stable radiation patterns, and efficient multipath handling. These features collectively ensure superior performance in challenging communication environments, where reliability and data integrity are paramount. The experimental results validate the antenna's potential for real-world applications, demonstrating its suitability for use in WLAN, ISM bands, and satellite communications. The enhanced isolation of 15.2 dB, gain values of 6.28 dBic and 6.05 dBic, and efficiency exceeding 62% position the proposed antenna as a cutting-edge solution for modern wireless systems. Its ability to address mutual coupling and polarization challenges makes it a valuable asset for next-generation MIMO systems, paving the way for reliable and high-speed communication in diverse scenarios. This work not only highlights the potential of CP MIMO antennas in advancing wireless technology but also provides a foundation for future research and development. The innovative design principles and performance optimizations presented here can serve as a benchmark for developing even more efficient and versatile antenna systems, driving further progress in the field of wireless communications.
Benzer Tezler
- GSM ve 5G uygulamaları için çift bantlı çift kutuplanmalı anten tasarımı
Dual band dual polarized antenna design for GSM and 5G applications
MEHMET SAMİ ERSÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KAMİL KARAÇUHA
- Havacılık ve uzay uygulamaları için antenler ve metamalzemeler
Antennas and metamaterials for aerospace applications
SERAP KİRİŞ TARHAN
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİskenderun Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHARREM KARAASLAN
- Design, simulation, and fabrication of cubesat antenna systems
Küp uydu anten sistemlerinin tasarım, benzetim ve üretimi
TÜRKER DOLAPÇI
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR SALİH ERGÜL
- Design and implementation of reconfigurable transmitarray unit cells employing the element rotation method by microfluidics
Mikroakışkan teknolojisi ile eleman döndürme metodunu uygulayan ayarlanabilir ileti dizi birim hücreleri tasarımı ve üretimi
EMRE ERDİL
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE ÖZLEM AYDIN ÇİVİ
YRD. DOÇ. DR. KAĞAN TOPALLI
- Design, analysis, and implementation of circular disk-annular ring (CDAR) antenna
Disk-halka (CDAR) antenin tasarımı, incelenmesi ve uygulanması
MUSTAFA SANCAY KIRIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. S. SENCER KOÇ