Design and prototyping of switchable band-notched ultra-wideband antenna

Kablosuz sistemler, son yıllarda giderek yaygınlaşmış ve günlük yaşantımızın bir parçası haline gelmiştir. Kablosuz sistemlerin en önemli unsurları anten yapılarıdır. Kablosuz sistemlerin gelişmesi ve mobil cihazların küçülmesi ile birlikte birden fazla uygulamayı birlikte çalıştırabilen sistemlere ihtiyaç duyulmuştur. Bu gereksinimlerin karşılanması için geliştirilmiş olan ultra geniş bant (UGB) sistemler, düşük güç tüketimi ve yüksek veri hızı avantajlarına sahip yeni nesil kablosuz teknolojidir. UGB frekans spektrumunda çalışan ve UGB sistemlere girişim etkisi yapan Wi-MAX, WLAN ve C-bant uydu haberleşmesi gibi kablosuz standartlar bulunmaktadır. Bundan dolayı, bu standartların girişim etkilerini kaldırmak için, UGB anten tasarımlarında bu frekanslar için bant çentiği yapılması gerekmektedir. Mikroşerit antenler, küçük hacimli olma, hafiflik ve bant çentiği yapımının kolay olması gibi avantajları ile UGB sistemler için en uygun antenlerdir. Bu tezde, UGB sistemler için G şeklinde bir yamadan oluşan mikroşerit bir anten tasarlanarak prototipi gerçekleştirilmiştir. Tasarlanmış anten sıklıkla kullanılan kablosuz standartlardan olan C-band uydu haberleşmesi standartının çalışma frekanslarında bant çentiği yamaktadır. Yapılan bu antenden önce, UGB anten çalışmalarına temel olması amacıyla 3 adet özgün UGB mikroşerit anten daha tasarlanmıştır. Tasarımlara ilk olarak, üçgen monopol bir yamadan oluşan anten yapısı ile başlanmıştır. Prototipi de üretilen anten, 2.6-18.2 GHz bandında çalışarak UGB bandını fazlasıyla kapsamıştır. İkinci anten tasarımında, birinci antende kullanılan yapıdan ilham alınarak üçgen bir yama kullanılmıştır. Bu antenin ilk antenden en temel farkı ise, dairesel polarizasyon (DP) ışıma da yapmasıdır. Tasarlanan ikinci anten, 3.8-11.0 GHz frekans aralığında çalışarak UGB'yi desteklemektedir. bir anten olmuştur. Üçüncü anten yapısında ise, ilk iki yapıda kullanılan mikroşerit hat beslemeden farklı olarak eşdüzlemsel dalga kılavuzu besleme kullanılmıştır. Yay şeklinde monopol bir ışıyıcı ve toprak yapısına sahip olan bu anten 3.1-17.2 GHz empedans bant genişliğine sahiptir. Son olarak bu tezin temel amacı olan, G şekilli bir yama ve dikdörtgen bir toprak düzleminden oluşan mikroşerit bir anten tasarlanmıştır. Tasarlanan anten, diğer üç antenden daha küçük boyutlu ve bant çentiği yapmak için ayarlamaya uygun yapıya sahiptir. Prototipi de üretilen antenin toplam boyutları 8.0×27.5 mm2'dir. G şeklindeki yamanın açıklık kısmına DC besleme ile anahtarlama yapan bir PIN diyot eklenerek antenin yeniden ayarlanabilmesi sağlanmıştır. Ölçüm sonuçlarına göre, PIN diyotun ON-State durumu olarak adlandırılan ileri yönlü beslemede diyot iletime geçerek 2.8-12.6 GHz frekans aralığında çalışan UGB bir anten elde edilmiştir. PIN diyotun OFF-State durumunda ise, çalışma bandının 3.5-4.95 GHz frekansları arasında ışıma yapmayarak bant çentikli bir anten özelliği sağlanmıştır. Tez çalışmasında yapılan bütün anten tasarımları Moment Metodu (MoM) temelli HyperLynx 3D EM benzetim programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarımlar sırasında, HyperLynx 3D EM programına entegre edilmiş optimizasyon modülünde genetik algoritma kullanılarak antenler optimize edilmiştir. Antenlerin performanslarının değerlendirilmesinde S11, VSWR, ışıma örüntüsü, maksimum kazanç, toplam verimlilik ve yüzey akım dağılımı parametreleri dikkate alınmıştır. Tasarlanan antenlerin prototipleri, FR4 malzeme üzerine LPKF Protomat PCB makinesi ile gerçekleştirilmiştir. Prototipleri üretilen antenlerin S11 ölçümleri, Keysight PNA 5224A Network Analizör ile yapılırken; ışıma örüntüsü ve maksimum kazanç ölçümleri de network analizör cihazına bağlanan döner tabla kullanılarak yapılmıştır. Elde edilen ölçüm sonuçları ile de benzetim sonuçları doğrulanmıştır. Wireless systems, have become increasingly common in recent years and are part of our daily lives. Antennas are the most important elements of wireless systems. With the development of wireless systems and the miniaturization of mobile devices, there is a need for systems that can work with multiple applications together. Ultra-wideband (UWB) systems, that developed to meet these requirements, are a new generation wireless technology with advantages such as low power consumption and high data rate. There are some wireless standards, such as Wi-MAX, WLAN and C-band satellite communications, which operate in the UWB frequency spectrum and interfere with UWB systems. Therefore, in order to remove interference effects of these standards, it is necessary to make a band-notches at these frequencies in UWB antenna designs. Microstrip antennas are the most suitable antennas for UWB systems with their advantages such as low profile, light weight and easy to make band-notches.In this thesis, a microstrip antenna with G-shaped patch was designed for UWB systems. Proposed antenna have a band-notched characteristic at C-band satellite communication standard frequencies, which is widely used wireless standard. Before this antenna design, 3 other UWB microstrip antennas were designed in order to learning how to work UWB antennas. We started to antenna designs with a triangular monopole structure. The prototyped antenna operates at 2.6-18.2 GHz frequency band, which covers the UWB frequencies. In the second antenna, a triangular patch was used, which was inspired by the first antenna. The main difference of this antenna from the first one is that, this antenna radiates in circular polarization (CP). Also, this antenna supports the UWB by operating in the frequency range between 3.8-11.0 GHz. In the third antenna structure, a coplanar waveguide fed (CPW-fed) is used instead of the microstrip line fed which is main goal of this thesis. This antenna operates between 3.1-17.2 impedance bandwidth and has an arc-shaped monopole radiator and arc-shaped ground. Finally, a microstrip antenna with a G-shaped patch and a rectangular ground was designed which is the main as this thesis main objective. Proposed antenna is smaller in size than the first three antenna and suitable for reconfiguring the frequency to make a band-notch. The prototyped antenna has 8.0 × 27.5 mm2 overall dimensions. A PIN diode switch is integrated on G-shaped patch to reconfiguring the frequency band-notch. With the forward bias, ON-State, of the PIN diode, the antenna operates between 2.8-12.6 GHz frequencies. When the PIN diode is in the OFF-State, the antenna make band-notch between the frequencies of 3.5-4.95 GHz.In this thesis study, all antenna designs were made by using the HyperLynx 3D EM simulation program based on the Moment Method (MoM). Proposed antennas are optimized using genetic algorithm through optimization module that is integrated into HyperLynx 3D EM program. S11, VSWR, radiation pattern, maximum gain, total efficiency and surface current distribution parameters are considered to antenna performance analysis. Prototypes of the proposed antennas were made on FR4 material with LPKF Protomat PCB machine. S11 measurements of prototyped antennas are made by using Keysight PNA 5224A Network Analyzer. The radiation pattern and maximum gain measurements were also made using a turn-table which is connected to the network analyzer. Simulation results are verified with the measurement results. 90