28 GHz frekansında 5G kablosuz haberleşme için S-şekilli mikroşerit anten tasarımı ve analizi

Abstract

Yaşamımızın en önemli unsurlarından olan kablosuz haberleşme sistemleri son yıllarda hızlı bir şekilde gelişmektedir. Mobil cihazlardaki haberleşme sistemlerinin kökeni olan 1G’den, yeni kullanılmaya başlanılan ve gelecekteki yeni nesil haberleşme sistemlerini oluşturan 5G’e geçiş hızlı gerçekleşmiştir. Mobil haberleşme sistemlerinde kullanılacak antenlerin 5G anten parametre kriterlerini sağlamasının yanı sıra mobil cihazlarında gün geçtikçe küçülmesi ile boyutlarının da uyumlu olması gerekmektedir. Mikroşerit antenlerin üretim maliyeti düşüktür, hafif, küçük hacimli ve bulundukları yüzeye kolayca entegre edilebilmektedir. Bu avantajlar ile mobil cihazlarda tercih edilmektedir. Bu tez çalışmasında 28 GHz rezonans frekansında 5G haberleşme sistemleri için gerekli anten parametrelerini karşılayan mikroşerit antenler tasarlanmıştır. Tasarımlar ANSYS HFSS programı ile tasarlanıp simüle edilmiştir. İlk olarak anten formülleri kullanılarak girintili mikroşerit hat beslemeli dikdörtgen mikroşerit anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu amacı gerçekleştiren anten Rogers RT Duroid 5880 alttaş malzemesi ile tasarlanmıştır. Dikdörtgen mikroşerit anten tasarımından yola çıkarak farklı geometrik yapılar ile özgün S modelli mikroşerit anten tasarlanmıştır. 13×13×0,508 𝑚𝑚3 boyutundaki antenin S şeklindeki yama kısmına eklenen 0.4 mm genişliğindeki ve 5 mm uzunluğundaki iki kanat şeklindeki iletim hattı ile özgün kanatlı S modelli mikroşerit anten tasarlanarak 28 GHz frekans bandındaki geri dönüş kaybı ve duran dalga oranı iyileştirilmiştir. Anten performansları incelenirken rezonans frekansı, bant genişliği, duran dalga oranı, geri dönüş kaybı ve kazanç dikkate alınmıştır. 28,00 GHz rezonans frekansında 590 MHz bant genişliği,-23 dB geri dönüş kaybı, 1,13 duran dalga oranı ve 9,07 dB kazanç ile istenilen 5G anten parametrelerini karşılamıştır ve bu tasarım mobil haberleşme sistemleri için önerilmektedir.

Wireless communication systems, which are one of the most significant factors of our lives, have been developing rapidly in recent years. The transition from 1G, which is the beginning of mobile communication systems, to 5G, which is the next generation communication, has been fast. Antennas to be used in mobile communication systems must meet the 5G antenna parameter criteria, as well as being compatible with mobile devices getting smaller and smaller day by day. The production cost of microstrip antennas is low, they are light, small in volume and can be easily integrated into the surface. With these advantages, it is preferred in mobile devices. In this thesis, microstrip antennas meeting the required antenna parameters for 5G communication systems at 28 GHz resonance frequency are designed. The designs were designed and simulated with the ANSYS HFSS program. Firstly, rectangular microstrip antenna design with recessed microstrip line fed was carried out using antenna formulas. The antenna that fulfills this purpose is designed with Rogers RT Duroid 5880 substrate material. Based on the rectangular microstrip antenna design, a unique S-model microstrip antenna was designed with different geometric structures. The return loss and standing wave ratio in the 28 GHz frequency band were improved by designing a unique winged S-model microstrip antenna with two wing-shaped transmission lines of 0,4 mm wide and 5 mm long, added to the S-shaped patch part of the 13 × 13 × 0,508 𝑚𝑚3 antenna. While examining antenna performances, resonance frequency, band opacity, voltage standing wave ratio, return loss and gain are taken into account. It meets the desired 5G antenna parameters with 590 MHz bandwidth at 28,00 GHz resonant frequency, -23 dB return loss, 1,13 voltage standing wave ratio and 9,07 dB gain, and this design is recommended for mobile communication systems.