The design and development of novel ultra-wide band (UWB) antenna and filter units for RF front-end applications

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. RF Front-end is the term basically used to refer to the parts in an RF receiver that comprise the initial stage before the intermediate frequency or base-band section. It is usually meant to cover the antenna, filter, mixer with local oscillator and amplifier units in a typical superheterodyne receiver. RF Front-end design is a prominent issue within the RF system design as it is closely linked to the system architecture and performance. Since it has a direct impact on the system performance, its design has always been an important task for the industry as well as attractive for the academia to study. Recent scientific studies on the RF Front-end design indicates two mainstream trends; either the design, development and manufacturing of RF Front-end circuitry in the form of `System-on-a-Chip` architectures i.e increased integration or the application of various optimization algorithms on the design of RF Front-end sub-units like antenna and filter as well as the overall system design to obtain a better performance. In this study, we followed the second trend and studied `Ultra Wide Band - UWB` RF Front-end design issues in terms of design, implementation and concatenation of novel UWB antenna and filter units as they are common to all kinds of RF Front-end system architectures. Other parts that are used to complement and test the design are commercially (readily) available equipment with known electrical characteristics and performance.The designed antenna is a compact (miniaturized) version of a `Vivaldi Shaped Partially Dielectric Loaded (VS-PDL) Transverse Electromagnetic (TEM) Horn antenna`. It was specifically designed to achieve high gain levels around 10dBi over the UWB band of 1.5-10.6 GHz. Vivaldi antennas as well as the TEM Horn antennas are good candidates for UWB applications as they both have relatively simple geometry and high gain over a wide bandwidth. The idea is to make use of combined respective advantages of Vivaldi and TEM horn antennas to achieve the desired goals by shaping the TEM horn antenna to look like a Vivaldi antenna. The antenna structure is further modified by a partial dielectric load in the center to increase the gain bandwidth. It is placed in a surrounding box made of a Perfect Electric Conductor (PEC) material to reduce the undesired side lobes and to obtain more directive radiation pattern. The results are promising and the Vivaldi Shaped Partially Dielectric Loaded (VS-PDL) TEM horn antenna is proposed as a compact UWB antenna for systems using the newly established UWB (3.1-10.6 GHz) band and also for various applications including the RF Front-End parts of the communication systems using the popular bands like ISM, Wi-Fi and GSM. Regarding the filter, a new methodology using a 3D Electromagnetic (EM) simulator-based Support Vector Regression Machine (SVRM) models of base elements is presented for band-pass filter (BPF) design. SVRM models of elements which are as fast as analytical equations and as accurate as a 3D EM simulator, are employed in a simple and efficient Cuckoo Search Algorithm (CSA) to optimize an ultrawideband (UWB) microstrip BPF. CSA performance is verified by comparing it with other Meta-Heuristics such as Genetic Algorithm (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO). As an example of the proposed design methodology, an UWB BPF that operates between the frequencies of 3.1 GHz and 10.6 GHz is designed, fabricated and measured. The simulation and measurement results indicate in conclusion the superior performance of this optimization methodology in terms of improved filter response characteristics like return loss, insertion loss, harmonic suppression and group delay. The concatenation of the antenna and the filter (as if they were part of a complete RF Front-end circuitry) without seeking any certain application is verified by the simulations using the CST STUDIO SUITE Electromagnetic (EM) Simulation software program first and then by the system level measurements within the laboratory environment. It has been observed that there were no significant waveform dispersion on the received pulse shape. This is an important issue in the UWB design and hence the measurement results are concluded as very satisfactory and in agreement with the simulation results indicating a successful UWB performance of the units under test. 94