Ultra geniş bantlı eş yönlü antenlerin tasarımı ve karakterizasyonu

Abstract

Kablosuz haberleşme sistemlerinde artan veri hızı ve geniş frekans kapsamı gereksinimi, birden fazla bantta çalışabilen anten yapılarına duyulan ihtiyacı artırmıştır. Bu tezde, geniş bantlı çalışma ve eş yönlü ışıma hedeflenerek bikonik, diskon ve düzlemsel monopol antenler tasarlanmış; simülasyon, üretim ve ölçüm süreçleri incelenmiştir. İlk olarak, 750 ile 1150 MHz frekans aralığında çalışan bir referans bikonik anten tasarlanmış ve antenin iki özdeş örneği dikey olarak yerleştirilerek çift anten yapısı oluşturulmuştur. Farklı antenler arası mesafelerde, üst antenin koaksiyel besleme kablosunun alt antenin içinden geçirildiği içten besleme düzeni ile kabloların dışarıdan yönlendirildiği dıştan besleme düzeni değerlendirilmiştir. Her iki düzen için empedans uyumu, antenler arası izolasyon ve ışıma özellikleri analiz edilerek en uygun koşullar belirlenmiştir. Ardından, 1 GHz merkez frekansı esas alınarak klasik bir diskon anten tasarlanmış ve geometrik düzenlemelerle iki yeni versiyon geliştirilmiştir. Üç tasarımın karşılaştırılması sonucunda seçilen nihai yapıda, 0,87 ile 2,64 GHz ve 3,42 ile 10 GHz frekans aralıklarında VSWR değerinin 2,5’in altında kaldığı görülmüştür. Nihai tasarım üretilmiş ve ölçüm sonuçları simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Son olarak, eş düzlemsel dalga kılavuzu beslemeli düzlemsel bir ultra geniş bant monopol anten geliştirilmiş ve 2,15 ile 11,1 GHz frekans aralığında yansıma katsayısının -10 dB’nin altında kaldığı belirlenmiştir. Daha sonra aynı radyatör geometrisinin mikroşerit hat beslemeli versiyonu tasarlanmıştır. Her iki anten üretilmiş, ölçüm sonuçları simülasyonlarla karşılaştırılmış ve besleme yapılarının anten performansına etkileri değerlendirilmiştir. Ayrıca her iki antenin grup gecikmesi simülasyon ortamında incelenmiştir. Bulgular, tasarım değişkenlerinin performansta belirleyici olduğunu ve geliştirilen antenlerin geniş bantlı uygulamalarda kullanılabileceğini göstermiştir.

The increasing demand for higher data rates and broader frequency coverage in wireless communication systems has intensified the need for antenna structures capable of operating over multiple frequency bands. In this thesis, biconical, discone, and planar monopole antennas were designed to achieve broadband operation and omnidirectional radiation characteristics, and their simulation, fabrication, and measurement processes were investigated. First, a reference biconical antenna operating over the frequency range of 750–1150 MHz was designed, and a dual-antenna configuration was formed by vertically positioning two identical antennas. At different inter-element spacings, an internal feed configuration, in which the coaxial feed cable of the upper antenna passed through the lower antenna, and an external feed configuration, in which the cables were routed outside the antennas, were evaluated. For both configurations, impedance matching, inter-antenna isolation, and radiation characteristics were analyzed to determine the most suitable operating conditions. Subsequently, a conventional discone antenna was designed based on a center frequency of 1 GHz, and two new versions were developed through geometric modifications. Following a comparison of the three designs, the final configuration exhibited a VSWR below 2.5 over the frequency ranges of 0.87–2.64 GHz and 3.42–10 GHz. The final design was fabricated, and the measured results were compared with the simulation results. Finally, a coplanar waveguide-fed planar ultra-wideband monopole antenna was developed, achieving a reflection coefficient below -10 dB over the frequency range of 2.15–11.1 GHz. A microstrip line fed version using the same radiator geometry was then designed. Both antennas were fabricated, their measured results were compared with simulations, and the effects of the feeding structures on antenna performance were evaluated. In addition, the group-delay characteristics of both antennas were investigated in the simulation environment. The findings demonstrated that the design variables significantly influenced antenna performance and that the developed antennas are suitable for broadband applications.