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

Abstract

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.

The enormous developments in information and communication technologies and the increasing number of wireless users have also increased the demand for high data rates and channel capacity. Mobile communication systems, which started with the first generation (1G) in the 1980s, have been defeated as a new generation in every ten years. The fifth generation (5G) communication, which is also called as the next generation, has recently started. The 5G mobile spectrum covers a wide frequency range from 410 MHz to 86 GHz and is broadly classified as low band (below 1 GHz), mid band (1 to 6 GHz), and high band (above 6 GHz). The most prominent frequency bands determined by ITU for these 3 frequency regions are respectively; n78 (3.3-3.8 GHz), n258 (24.25-27.5 GHz or 26 GHz), n257 (26.5-29.5 GHz or 28 GHz), and n260 (37-40 GHz or 39 GHz). As in other mobile systems, one of the most important elements of 5G mobile systems is antennas. Microstrip antennas come to the forefront for mobile systems with their advantages such as having a small profile, low production cost, and ease of design and production. The most common disadvantage of conventional microstrip antennas is the narrowness of the bandwidth. Another disadvantage of microstrip antennas designed especially for the high frequency region, where atmospheric losses increase, is the low gain value. Techniques such as using a defected ground structures, adding shorting pins or slots, using frequency-independent architecture such as log-periodic and designing parasitic patches are used to increase the bandwidth of microstrip antennas. In addition, some of the gain enhancement techniques used by the researchers in microstrip antennas are; adding a shorting-pins or slots, adding electromagnetic band gap on antenna and using superstrates or frequency selective surfaces. In this thesis, 3 different architectures for next generation 5G mobile communication devices are used and a total of eight log-periodic patch antenna designs are presented. In the first of these studies, a log-periodic-like linear decreasing monopole patch antenna structure was designed for the 3.3-4.2 GHz frequency range for 5G applications below sub-6 GHz. The log-periodic structure of the proposed antenna is designed as a monopole with linear architecture. In the second and third antenna studies, 4 and 8 element MIMO architectures were applied to linear decreased log-periodic monopole antenna (LPMA) to increase the channel capacity. In these MIMO antennas, two more bands were added to the working bands with the differences in the ground planes. Three LPMAs designed with this first log-periodic architecture used FR4 substrates with a relative permeability of 4.3 and a thickness of 1.6 mm. In the second log-periodic geometry, a novel log-periodic dipole antenna (LPDA) consisting of non-crossed dipole elements instead of the crossed dipole in the traditional LPDA was designed and implemented as a two-element MIMO antenna system for n258 5G band. In the third log-periodic antenna architecture, a notched LPMA (NLPMA) structure is obtained by merging two-quarter wavelength strip lines with a 90° angle for each log-periodic element. In this NLPMA architecture, two-port MIMO designs are presented with 3 different frequency combinations in the 5G mm-wave band suc as; 28 GHz, 26/28 GHz and 26/39 GHz bands. Rogers RT 5880 with a relative permittivity of 2.2 and a thickness of 0.508 mm was used as the dielectric substrate in LPDA and ÇLPMA MIMO antenna structures designed for mm-wave bands. In addition, in order to reduce the effect of increasing atmospheric losses at mm-wave frequency region, gain increases of more than 50% have been achieved by adding superstrate and frequency selective surfaces obtained by using FR4 and Rogers RO3003 dielectric substrates to the antennas designed with LPDA and NLPMA architecture. In the last antenna system proposed in this thesis, a 12-element MIMO antenna structure is designed by combining the log-periodic architectures of the first and third designs in a multilayered manner. In the multilayer antenna structure designed as multi-band, there is a MIMO system consisting of 4 triangle-shaped LPMAs in the upper layer and operates in the frequency range of 3.3-3.8 GHz. The NLPMA structure, which is located in the lower layer of the antenna, is a MIMO system consisting of 8 elements with 26 GHz and 39 GHz resonances. In this last antenna system, the FR4 layer on the top acts as a superstrate for the mm-wave antennas and increase the antenna gain.