Yürüyen Dalga Yarıklı Silindirik Substrat Tümleşik Dalga Kılavuzu

URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Yürüyen Dalga Yarıklı Silindirik Substrat Tümleşik Dalga Kılavuzu
(SSTDK) Anten Dizisi
Ömer Bayraktar, Özlem Aydın Çivi
Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Ankara
[email protected], [email protected],
Özet: Silindirik yüzeye yerleştirilmiş substrat tümleşik dalga kılavuzu (STDK) üzerinde, uzunlamasına
yarıklardan oluşan yürüyen dalga anten dizisi 25 GHz’de tasarlanmış ve üretilmiştir. Yarık besleme katsayıları 20 dB SLL Taylor dağılımı kullanılarak yüzey izdüşümü metodu ile belirlenmiştir. Dar yarı güç huzme genişliği
(HPBW) elde etmek amacı ile yarık fazları, yarıkların STDK üzerindeki aralıklarının tasarlanması ile
bulunmuştur. Đstenilen yarık katsayılarını ve fazlarını sağlayan yarık pozisyonları ve uzunlukları Elliott tasarım
yöntemi ile belirlenmiştir. Yarık uzunlukları optimize edilerek anten verim bandı genişletilmiştir. Ölçülen dizide
frekansın 24 GHz ve 26 GHz aralığında değiştirilmesi sonucunda huzmenin 10° döndürülebildiği görülmüştür.
Abstract: Traveling wave longitudinal slot array on cylindrical substrate integrated waveguide (SIW) is
designed and fabricated at 25 GHz. The excitation amplitudes of the slots are determined by -20 dB SLL Taylor
distribution using aperture projection method. The phases of the slots are determined by designing the slot
separation values on cylindrical SIW to obtain narrow half power beam width (HPBW). The required slot offsets
and lengths which satisfy desired slot amplitudes and phases are found by using Elliott’s design procedure. The
slot lengths are optimized to increase antenna efficiency bandwidth. The antenna array is measured and about
10° beam steering is obtained when frequency is swept between 24 GHz and 26 GHz.
1. Giriş
Yarıklı dalga kılavuzu dizileri mikroşerit antenlere göre sahip oldukları düşük kayıp, yüksek yalıtım ve yüksek
güç taşıma kapasitesi gibi avantajlardan dolayı haberleşme ve radar uygulamalarında tercih edilirler. Ancak
yarıklı dalga kılavuzu dizilerinin yüzey uyumlu anten uygulamaları için üretimleri ve kullanılmaları zordur.
Ayrıca yarıklı dalga kılavuzları ile mikroşerit iletim hattı veya eş düzlemsel dalga kılavuzu gibi düzlemsel
besleme ağlarının birleştirilmeleri esnasında birleştirme hatalarından dolayı oluşan parazit etkiler özellikle
milimetre dalga frekanslarında artmaktadır. Literatürde dalga kılavuzu yerine kullanılabilen substrat tümleşik
dalga kılavuzu (STDK) ile yapılmış çeşitli mikrodalga bileşen ve anten devreleri bulunmaktadır. Yarıklı STDK
dizisi, düzlemsel besleme ağları ile standart baskı devre kartı (PCB) teknolojisi ile tümleşik olarak üretilebilir ve
özellikle esnek taban malzeme seçilerek yüzey uyumlu anten uygulamalarında kullanılabilir.
Bu çalışmada, Şekil 1’de gösterildiği gibi 10 cm yarıçapa sahip silindirik STDK yapısı üzerinde 25 GHz’de
yürüyen dalga yarık anten dizisi tasarlanmıştır. Tasarımda 0.5 mm kalınlığında Rogers 3003 (εr = 3, tanδ =
0.0013 @ 10 GHz) taban malzemesi kullanılmıştır. Dizi Port1’den beslenmiş ve Port2 uyumlu yük ile
sonlandırılmıştır. Faz kaydırıcı elemanlara ihtiyaç duyulmadan, frekansın değiştirilmesi ile xy-düzleminde
frekans taraması elde edilmiştir.
Ln
Port 1
W
Port 2
xn
y
x
Yarık
z
(a)
(b)
Şekil 1. Silindirik STDK yapısı üzerinde uzunlamasına yarık dizisi. (a) Kesit görünüm. (b) Üstten görünüm.
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
0
Normalize Işınım Örüntüsü (dB)
Taylor Dağılımı
-5
1. Durum
2. Durum
3. Durum
-10
Eş faz
düzlemi
-15
d14
y
d15
d1
-20
-25
R=10cm
Anten
Elemanları
x
z
-30
0
50
100
150
φ (derece)
(a)
(b)
Şekil 2. (a) Yüzey izdüşümü metodu ile yarık katsayılarının belirlenmesi. (b) 25 GHz ışınım Örüntüleri.
2. Dizi Tasarımı
Silindirik STDK yapısı üzerinde bulunan 16 adet yarık dizisinde, yarık katsayıları düşük yan huzme seviyesi
(SLL) elde etmek amacı ile Şekil 2 (a)’da gösterildiği gibi yüzey izdüşümü metodu kullanılarak -20 dB SLL
Taylor (ñ=3) dağılımının örneklenmesi ile belirlenmiştir. Şekil 2 (a)’da eş faz düzlemi ile her bir anten elemanı
arasında farklı mesafeler vardır. Bu farklı mesafelerin sonucunda oluşan farklı uzaysal faz gecikmelerini
gidermek ve eş faz düzlemi elde etmek amacı ile anten elemanlarının aralıkları (dn, n=1,2,..,15), anten
elemanlarını besleyen SIW modunun faz sabiti hesaba katılarak tasarlanmıştır. Tasarımda üç farklı yarık
pozisyonu durumu incelenmiştir. Đlk durumda tüm yarıklar z>0 olacak şekilde aynı tarafta konumlandırılmıştır.
Đkinci durumda yarıklar sırası ile farklı taraflara yerleştirilmiştir. Üçüncü durumda ise her bir yarığın konumu bir
önceki yarık ile aralarında en az mesafe olacak şekilde seçilmiştir. Silindirik yüzey üzerinde yarık dizisinin
ışınım örüntüsünü hesaplamak amacı ile eleman faktörünü hesaba katan bir kod geliştirilmiştir. Bu kod ile üç
farklı durum için hesaplanan ışınım örüntüleri Şekil 2 (b)’de gösterilmiştir. Şekil 2 (b)’de en düşük SLL değeri
üçüncü durumda elde edilmiştir. Bu durum elemanlar arasındaki ortalama mesafenin en az olduğu duruma
karşılık gelmektedir. Üçüncü durumda bazı yarık mesafelerinin oldukça büyük olması ve tüm dn değerlerinin
sabit olmaması sonucunda istenilen -20 dB SLL elde edilememiştir. Yüzey izdüşümü metodu ile istenilen SLL
elde etmek amacı ile sabit eleman aralıkları kullanılmalıdır ve Taylor dağılımı örneklenmesinde eleman
yoğunluğu hesaba katılmalıdır. Sabit eleman aralıklı yarık dizisinde faz tasarımı rezonanstan oldukça sapan yarık
elemanları kullanılarak yapılabilir. Şekil 2 (b)’de gösterilen üçüncü durumdaki yarık katsayıları ve fazları
kullanılarak Elliott tasarım yöntemi ile yarık pozisyonları (xn) ve uzunlukları (Ln) belirlenmiştir [2]. Elliott
tasarım yönteminde daha önce hesaplanan öz yarık admitansı değerleri kullanılmıştır [3], [4]. Bulunan yarık
uzunlukları SLL değerlerinin artması karşılığında anten verim bandını arttırmak amacı ile Ansys HFSS yazılımı
kullanılarak optimize edilmiştir [4]. Optimize edilmiş dizide SLL değeri yaklaşık -10 dB civarındadır.
3. Üretim ve Ölçüm Sonuçları
Optimize edilmiş 1x16 yarık dizisi standart baskı devre kartı (PCB) teknolojisi ile üretilmiştir. Üretilen dizi Şekil
3 (a)’da gösterilmiştir. 40 GHz’e kadar çalışan konnektörler kullanılarak dizi devre çözümleyicisinde
ölçülmüştür. Ölçülen s-parametreleri Şekil 3 (a) ve (b)’de benzetimler ile karşılaştırılmıştır. Benzetimlerde
(a)
0
0
-10
-5
S21(dB)
S11(dB)
-20
-30
-10
-15
-40
Benzetim
Ölçüm
Benzetim
Ölçüm
-20
-50
20
21
22
23
24
25
26
Frekans (GHz)
27
28
29
30
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Frekans (GHz)
(b)
(c)
Şekil 3. (a) Üretilmiş 1x16 yarık dizisi. (b) S11 ve (c) S21 ölçüm ve benzetim sonuçları.
30
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
0
25 GHz Benzetim
25 GHz Ölçüm
Normalize Işınım Örüntüsü (dB)
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
0
50
100
150
200
250
300
350
φ (derece)
(a)
(b)
14
Normalize Işınım Örüntüsü (dB)
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
100
90
12
80
10
70
60
8
50
6
40
30
4
-3.5
Verim (%)
24 GHz Benzetim
24 GHz Ölçüm
24.5 GHz Benzetim
24.5 GHz Ölçüm
25 GHz Benzetim
25 GHz Ölçüm
25.5 GHz Benzetim
25.5 GHz Ölçüm
26 GHz Benzetim
26 GHz Ölçüm
Kazanç (dB)
0
20
-4
2
-4.5
-5
40
45
50
55
φ (derece)
60
65
70
0
24
Kazanç (Benzetim)
Kazanç (Ölçüm)
24.2
24.4
24.6
24.8
Verim (Benzetim)
Verim (Ölçüm)
25
25.2
25.4
25.6
25.8
10
0
26
Frekans (GHz)
(c)
(d)
Şekil 4. (a) Yarıklı Silindirik STDK dizisi ölçüm düzeneği. (b) 25 GHz Işınım Örüntüsü. (c) 24-26 GHz Arası
Işınım Örüntüleri. (d) Kazanç ve verim değerleri.
konnektörlerin etkisi hesaba katılmıştır. Şekil 3 (a) ve (b)’de HFSS yazılımı ile yapılan benzetimlerin ölçümler
ile uyum içerisinde olduğu gözlenmektedir. 1x16 Yarık dizisinin ışınım örüntüleri Şekil 4 (a)’da gösterildiği gibi
yankısız odada 1° adımlar ile ölçülmüştür. Ölçülen ışınım örüntüler Şekil 4 (b) ve (c)’de gösterilmiştir. Şekil 4
(b)’de 25 GHz’de ölçülen ışınım örüntüsü, benzetim ile uyum içerisindedir. Şekil 4 (c)’de farklı frekanslarda
ölçülen ana huzme pozisyonları gösterilmiştir. Şekil 4 (c)’de ölçüm ve benzetimler arasında iyi uyum
gözlenmektedir. Ölçüm ve benzetimler arasındaki fark en fazla 26 GHz’de 1°’dir. Bu fark 1° adımlar ile alınan
ölçümlerdeki hata payından kaynaklanmaktadır. Frekansın 24 GHz-26 GHz aralığında değiştirilmesi sonucunda
ana huzmede yaklaşık 10° frekans taraması elde edilmiştir. Dizinin ölçülen kazanç ve verimlilik değerleri Şekil 4
(d)’de sunulmuştur. Şekil 4 (d)’de ölçüm ve benzetimler özellikle 25 GHz ve sonrasında iyi uyum içerisindedir.
25 GHz’de yaklaşık 11.6 dB kazanç elde edilmiştir. Taban malzeme kayıplarından dolayı elde edilen verim
değerleri düşüktür [4]. Düşük kayıplı taban malzeme kullanılarak yüksek verim değerleri elde edilebilir.
Bilgilendirme
Bu çalışma, TÜBĐTAK-EEEAG-111R001 ve COST IC1102 VISTA projeleri kapsamında desteklenmiştir.
Kaynaklar
[1] D. Deslandes ve K. Wu, “Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form,” IEEE
Microwave and Wireless Components Letters, vol. 11, no. 2, s. 68-70, Şubat 2001.
[2] R. Elliott, “An Improved Design Procedure for Small Arrays of Shunt Slots,” IEEE Transactions on
Antennas and Propagation, vol.31, no.1, s. 48- 53, Ocak 1983.
[3] Ö. Bayraktar ve Ö. Aydın Çivi, “Silindirik Yüzey Tümleşik Dalga Kılavuzu Üzerinde Yarık Modellemesi”,
URSI-TÜRKĐYE 6. Bilimsel kongresi, Đstanbul, Türkiye, 2-5 Eylül 2012.
[4] O. Bayraktar ve O. A. Civi, "Circumferential Traveling Wave Slot Array on Cylindrical Substrate Integrated
Waveguide (CSIW)," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.62, no.7, s.3557-3566,
Temmuz 2014.