RF ön uç uygulamaları için özgün, çok geniş bandlı anten ve filtre tasarımı ve geliştirilmesi

RF ön-uç temelde bir RF alıcısının, ara frekans veya baz-bant bölümünden önce ilk aşamasını oluşturan parçaları ifade etmek için kullanılan bir terimdir. Bu, genellikle, tipik bir süperheterodin alıcısının karıştırıcı / yerel osilatör ve düşük gürültülü yükselteç birimleri ile anten ve filtre birimlerini kapsamaktadır. RF ön-uç tasarımı, doğrudan sistem mimarisi ve performansını etkilediği için RF sistem tasarımında önemli bir konudur. Sistem performansı ile doğrudan bağlantılı olduğu için sanayinin ilgisini çektiği kadar akademik camia için de cazip bir çalışma alanı oluşturmaktadır. Son bilimsel çalışmalar RF ön-uç tasarımında iki ana eğilimi göstermektedir; ya "Yongada Sistem (System-on-a-Chip)" formunda RF ön-uç devresi tasarım, geliştirme ve imalatı yani artan entegrasyon eğilimi ya da anten ve filtre gibi gibi RF ön-uç alt birim tasarımları ile genel sistem tasarımının çeşitli iyileştirme (optimizasyon) algoritmalarının uygulanması yoluyla geliştirilmesi ve genel bir performans iyileştirmesi elde edilmesi şeklindedir. Bu çalışmada ikinci eğilim takip edilmiş ve "Ultra Geniş Band - UGB" RF ön-uç tasarım hususları ele alınmıştır. Ayrıca, tüm RF ön-uç mimarilerinin hepsinde bulundukları için UGB anten ve filtre ünitelerinin özgün tasarımları gerçeklenmiştir. Tasarımı tamamlamak ve test etmek için kullanılan diğer cihazlar, bilinen elektriksel özelliklere ve performansa sahip Rafta Hazır Ticari (RAHAT) ürünlerdir. Tasarlanmış anten "Kısmen Dielektrik Yüklü Vivaldi şekilli Transverse Electromanyetik (TEM) Horn (VS-PDL)" antenin kompakt (küçültülmüş) bir versiyonudur. Özellikle 1,5-10,6 GHz (UGB) bandında 10dBi civarında yüksek kazanç değerleri sağlayacak şekilde çalışmak üzere tasarlanmıştır. Vivaldi ve TEM Horn antenler nispeten basit geometrileri ve geniş bir bantta sağlayabildikleri yüksek kazanç değerleri nedeniyle UGB uygulamaları için uygun adaylardır. Çalışmanın bu bölümü, TEM Horn antenler ile Vivaldi antenlerin karşılıklı avantajlarından yararlanarak istenen performans hedeflerine ulaşmak amacıyla TEM Horn antenin Vivaldi anten gibi şekillendirilmesi esasına dayanmaktadır. Anten yapısına, kazanç ve bant genişliğini artırmak amacıyla ortasından kısmi dielektrik yüklemesi yapılmıştır. Anten, daha iyi yönlendirilmiş bir ışıma diyagramı elde etmek ve istenmeyen yan süzmeleri azaltmak için Mükemmel Elektriksel İletken (MEİ) bir malzemeden yapılmış bir kutu içine yerleştirilmiştir. Sonuçlar başarılı bir seviyede olup "Kısmen Dielektrik Yüklü Vivaldi şekilli TEM Horn (VS-PDL)" anteni, yeni oluşturulan UGB (3,1-10,6 GHz) bandını kullanan sistemler için olduğu kadar ISM, Wi-Fi ve GSM gibi popüler bantları kullanan iletişim sistemlerinin RF Ön-uç bölümlerinde de kullanılabilecek kompakt bir anten olarak önerilmiştir. Filtre ile ilgili olarak, bant-geçiren filtre (BGF) tasarımı için, baz elemanlarının, 3B Elektromanyetik (EM) simülatör tabanlı Support Vector Regression Machine (SVRM) modellerini kullanan yeni bir metodoloji sunulmuştur. Analitik denklemler kadar hızlı ve 3B EM simülatörü kadar doğru SVRM model elementleri, Ultra Geniş Bant mikrostrip BGF'yi optimize etmek için basit ve etkili bir Guguk Kuşu Arama (GKA) Algoritmasında kullanılmıştır. GKA performansı, Genetik Algoritma (GA) ve Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) gibi diğer Meta-Heuristic'lerin sonuçları ile karşılaştırarak doğrulanmıştır. Önerilen tasarım metodolojisine bir örnek olarak, 3.1 GHz ve 10.6 GHz frekansları arasında çalışan bir UGB BGF tasarlanmış, üretilmiş ve ölçülmüştür. Simülasyon ve ölçüm sonuçları paralellik arz etmekte olup, dönüş kaybı, ekleme kaybı, harmonik bastırma ve grup gecikmesi gibi filtre tepki karakteristikleri açısından da bu optimizasyon metodolojisinin daha üstün performansına işaret etmektedir. Özgün tasarlanan UGB anten ve filtre ünitelerinin ardışık olarak birlikte çalışma performansları (sanki komple bir RF ön-uç devresinin bir parçalarıymış gibi) özel bir uygulama amacı düşünülmeden, CST STUDIO SUITE Elektromanyetik (EM) Simülasyon yazılımı kullanılarak simule edilmiş ve ayrıca laboratuar ortamında gerçekleştirilen ölçümler ile doğrulanmıştır. Alınan dalga şekillerinde ciddi bir dağılma /bozulma gözlemlenmemiştir. Bu husus UGB tasarımında önemli bir noktadır. Dolayısıyla, ölçüm sonuçları, simülasyon sonuçları ile uyum içerisinde ve çok tatmin edici bir seviyede olup başarılı bir UGB performansına işaret etmektedir.