5G mobil terminaller için yüksek kazançlı ve çoklu bant frekans seçici anten sistemi tasarımı

Bilgi ve iletişim teknolojilerindeki muazzam gelişmeler ve gittikçe artan kablosuz kullanıcı sayısı yüksek veri hızına ve kanal kapasitesine olan talebi de arttırmıştır. 1980'lerde birinci nesil (1G) ile başlayan mobil haberleşme sistemleri her on yıllık süreçte yeni bir nesil olarak kendini yenilemiş ve günümüzde "gelecek nesil" olarak da isimlendirilen beşinci nesil (5G) haberleşmesine geçilmeye başlanmıştır. 5G mobil spektrumu, 410 MHz ile 86 GHz arasında geniş bir frekans aralığını kapsamakta ve en genel anlamda düşük bant (1 GHz altı), orta bant (1 ile 6 GHz arası) ve yüksek bant (6 GHz üstü) olarak sınıflandırılmaktadır. Bu 3 frekans bölgesi için ITU tarafından belirlenen ve en öne çıkan frekans bantları ise sırasıyla; n78 (3.3-3.8 GHz), n258 (24.25-27.5 GHz veya 26 GHz), n257 (26.5-29.5 GHz veya 28 GHz) ve n260 (37-40 GHz veya 39 GHz) bantlarıdır. Diğer mobil sistemlerde olduğu gibi, 5G mobil sistemlerinin de en önemli unsurlarından birisi antenlerdir. Mikroşerit antenler, küçük profile sahip olma, üretim maliyetinin düşüklüğü, tasarım ve üretim kolaylığı gibi avantajları ile mobil sistemler için ön plana çıkmaktadır. Geleneksel mikroşerit antenlerin bilinen en yaygın dezavantajı bant genişliğinin darlığıdır. Özellikle atmosferik kayıpların arttığı yüksek frekans bölgesi için tasarlanan mikroşerit antenlerdeki diğer dezavantaj da kazanç değerinin düşüklüğüdür. Mikroşerit antenlerin bant genişliğini artırmak için bozunmuş toprak düzlemi kullanma, kısa devre pini veya oyuk ekleme, log-periyodik gibi frekans bağımsız mimari kullanımı ve parasitik yama tasarımı gibi teknikler kullanılabilmektedir. Yine kısa devre pin ya da oyuk ekleme ve elektromanyetik bant aralığı, üst katman veya frekans seçici yüzey gibi meta malzeme temelli anten tasarımları da araştırmacılar tarafından mikroşerit antenlerde kullanılan kazanç artırıma tekniklerinden bazılarıdır. Bu tez çalışmasında, gelecek nesil 5G mobil haberleşme cihazlarına yönelik 3 farklı mimari kullanılarak toplamda sekiz log-periyodik yama anten tasarımı sunulmuştur. Bu çalışmaların ilkinde, 6 GHz altı 5G uygulamalarına yönelik 3.3-4.2 GHz frekans aralığı için log-periyodik benzeri lineer azalan monopol bir yama anten yapısı tasarlanmıştır. Önerilen antenin log-periyodik yapısı, dipol (çift kutup) yerine monopol (tek kutup) olarak ve lineer mimari ile tasarlanmıştır. İkinci ve üçüncü anten çalışmasında, ilk tasarlanan log-periyodik monopol antene (LPMA) kanal kapasitesini artırmak için sırasıyla 4 ve 8 elemanlı MIMO mimarileri uygulanmıştır. Bu iki MIMO antenin de toprak düzlemlerindeki farklılıklar sayesinde çalışma bantlarına ikişer bant daha eklenerek çoklu bant anten sistemine dönüşmüştür. Bu ilk mimari ile tasarlanan üç LPMA'da 1.6 mm kalınlık ve 4.3 bağıl geçirgenliğe sahip FR4 alttaş kullanılmıştır. İkinci log-periyodik geometri ile elde edilen çalışmada, n258 bandı için geleneksel log-periyodik dipol antenden (LPDA) farklı olarak dipol elemanlarının çapraz olmayan şekilde yerleştirildiği özgün bir LPDA tasarlanmış ve iki elemanlı bir MIMO anten sistemi olarak uygulanmıştır. Üçüncü özgün log-periyodik anten mimarisinde ise, log-periyodik elemanları ilk çalışmada olduğu gibi tek düzlemde bulunmakta diğer düzlemde de kısmi bir dikdörtgen toprak düzlemi yer almaktadır. Önerilen anten mimarisinin yama kısmında yer alan her bir log-periyodik eleman, çeyrek dalga boyunda iki şerit hattın 90° açıyla birleştirilmesi ile çentikli LPMA (ÇLPMA) yapısı elde edilmiştir. Elde edilen bu son mimari ile 5G mm-dalga çalışma bölgesinde 28 GHz, 26/28 GHz ve 26/39 GHz bantlarında 3 farklı kombinasyon ile iki portlu MIMO tasarımları sunulmuştur. Mm-dalga bantları için tasarlanan LPDA ve ÇLPMA MIMO anten yapılarında dielektrik alttaş olarak bağıl geçirgenliği 2.2 ve kalınlığı 0.508 mm olan Rogers RT 5880 kullanılmıştır. Ayrıca, mm-dalga frekans bölgesinde artan atmosferik kayıpların etkisini azaltmak adına LPDA ve ÇLPMA mimari ile tasarlanan antenlere FR4 ve Rogers RO3003 dielektrik alttaşlar ile oluşturulan üst katman ve frekans seçici yüzeylerin eklenmesi ile %50'nin üzerinde kazanç artırımları gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasında yer alan son anten sisteminde, ilk ve üçüncü tasarımdaki log-periyodik mimarilerinin katmanlı bir şekilde birleştirilmesi ile 12 elemanlı bir MIMO anten yapısı tasarlanmıştır. Çoklu bant olarak tasarlanan katmanlı anten yapısında, üst katmanda 4 adet üçgen şekilli LPMA'dan oluşan bir MIMO sistemi bulunmakta ve 3.3-3.8 GHz frekans aralığında çalışmaktadır. Alt katmanda yer alan ÇLPMA yapısında ise 26 GHz ve 39 GHz rezonanslı toplamda 8 elemandan oluşan bir MIMO anten sistemi yer almaktadır. Bu son anten sisteminde de, üstte yer alan FR4 tabakası alt katmanda bulunan mm-dalga antenler için bir üst katman gibi davranarak anten kazancını yükseltmektedir.