WiMAX ANTENLERİN PERFORMANS ANALİZİ Serap ÇİÇEK
advertisement
WiMAX ANTENLERİN PERFORMANS ANALİZİ Serap ÇİÇEK AKÇAY YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ARALIK 2010 ANKARA Serap ÇİÇEK AKÇAY tarafından hazırlanan “WiMAX ANTENLERİN PERFORMANS ANALİZİ” adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Nursel AKÇAM ………………………….. Tez Danışmanı, Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy çokluğu ile Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Doç. Dr. Erkan AFACAN ………………………….. Elektrik Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, G.Ü. Yrd. Doç. Dr. Nursel AKÇAM …………………………. Elektrik Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, G.Ü. Yrd. Doç. Dr. Hasan Şakir BİLGE ………………………….. Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı, G.Ü. Tarih: 27 / 12 / 2010 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü ………………………………. TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Serap ÇİÇEK AKÇAY iv WiMAX ANTENLERİN PERFORMANS ANALİZİ (Yüksek Lisans Tezi) Serap ÇİÇEK AKÇAY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Aralık 2010 ÖZET Hızla küreselleşen dünyada internet ve erişim teknolojileri alanında yaşanan baş döndürücü gelişmeler iletişimin daha hızlı ve daha kolay olması yönünde önemli yenilikleri de beraberinde getirmektedir. Bu çerçevede en dikkat çeken uygulamalardan biri de kuşkusuz WiMAX teknolojisidir. Günümüzde etkili bir iletişim imkânı sunan WiMAX, uygulamada önemli kolaylıklar sağlayan kablosuz teknoloji olma özelliğiyle ön plana çıkmaktadır. Bu çerçevede, band uygulamalarının çok uzak mesafelerdeki kullanıcılara da ulaşabiliyor olması, WiMAX’in tercih edilebilirliğini artırmaktadır. Bu tez çalışmasında, 3.5 GHz frekansında IEEE 802.16 standardı olarak bilinen ve metropolitan alan ağı için kablosuz sayısal haberleşme sistemi olan WiMAX uygulamalarında kullanılan “yönlü” anten esas alınmıştır. Bu bağlamda, söz konusu antenin farklı mesafe ve açılardaki elektrik alanlarının ve manyetik alanlarının MATrix LABoratory (MATLAB) programı vasıtasıyla hesaplanması detaylıca irdelenmektedir. Sonuç itibarıyla elde edilen bulguların kıyaslaması yapılarak, çalışmada elektrik ve manyetik alanlar incelenmek suretiyle, farklı açılar için antenin ışıma örüntüleri çizdirilmiştir. Işıma örüntülerinin değerleri yorumlanarak antenin hangi mesafede hangi açısının daha verimli olduğu ortaya çıkarılmıştır. Bu doğrultuda yapılan analiz ile bundan sonra yapılacak çalışmalar için en v verimli açıların belirlenmesi hedeflenmektedir. Bu itibarla seçilen yönlü anten; 20, 30 ve 40 km mesafelerde; 30, 60 ve 90 derecelik açılar ile sınırlandırılma yoluna gidilmiştir. Simülasyon uygulamasında “MATLAB” kullanılmıştır. Bilim Kodu Anahtar Kelimeler Sayfa Adedi Tez Yöneticisi : 905.1.053 : WiMAX Anten, Elektrik Alan, Manyetik Alan : 67 : Yrd. Doç. Dr. Nursel AKÇAM programı vi PERFORMANCE ANALYSIS OF WiMAX ANTENNAS (M.Sc. Thesis) Serap CICEK AKCAY GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY December 2010 ABSTRACT Highly quick booms at the internet and communication technology bring the important developments regarding to faster and easier communication in rapidly globalized world. One of the crucial applications in this framework is of course WiMAX technology. In today’s world WiMAX, which does provide efficient communication opportunity, gains importance via its wireless characteristic that ensures easy ways in usage. What makes WiMAX more preferable in this context is the capability of its band appliance in reaching at the users quite far away. Known as IEEE 802.16 standards at 3.5 GHz frequency, omni directional antennas, which are wireless digital communication system for metropolitan network area, is the basis of this thesis research. In this respect, the electric fields and magnetic fields of these antennas are scrutinized in details, byusing the MATLAB. As a consequence, the most appropriate data is indicated in accordance with the proper angels, comparing the findings with each others just after the examination of electric and magnetic fields. The analysis, in line with this performance, aims to offer the best values for further studies in this subject. The aforementioned antennas are restricted as 30, 60 and 90 degreed angels and vii 20 km, 30 km and 40 km ranges with respect to the consistency. The programme MATLAB is chosen for the simulating option. Science Code Keywords Number of Pages Adviser : 905.1.053 : WiMAX Antenna, Electric Fields, Magnetic Fields : 67 : Assist. Prof. Nursel AKÇAM viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Yrd. Doç. Dr. Nursel AKÇAM’a, kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Eşim Engin Akçay’a, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli aileme teşekkürü bir borç bilirim. ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET………………………………………………………………………………... iv ABSTRACT………………………………………………………………………....vi TEŞEKKÜR………………………………………………………………………..viii İÇİNDEKİLER……………………………………………………………………….ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ…………………………………………………………..xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ…………………………………………………………….xii RESİMLERİN LİSTESİ……………………………………………………………xiv HARİTALARIN LİSTESİ…………………………………………………………..xv SİMGELER VE KISALTMALAR………………………………………………...xvi 1. GİRİŞ........................................................................................................................1 2. GENEL ANTEN TEORİSİ ……………………………………………………...12 2.1. Antenler ve Anten Parametreleri…………………………………………….12 2.2. Kullanım Yerlerine Göre Antenler…………………………………………..21 3. WiMAX ANTENLER……………………………………………………………24 3.1. WiMAX Antenlere Genel Bakış……………………………………………..24 3.2. Elektrik ve Manyetik Alanlar……………………………………………….. 30 4. UYGULAMA VE SONUÇLARI………………………………………………...37 4.1. 10 Derece Aralıklarla Elektrik Alan Analiz Sonuçları....................................37 4.2. 20 Km de Analiz Sonuçları…………………………………………………..41 4.3. 30 Km de Analiz Sonuçları…………………………………………………..43 4.4. 40 Km de Analiz Sonuçları………………………………………………......45 x Sayfa 4.5. 10 Derece Aralıklarla Manyetik Alan Analiz Sonuçları..................................47 5. SONUÇ…………………………………………………………………………...53 KAYNAKLAR……………………………………………………………………...54 EKLER……………………………………………………………………………....56 EK-1………………………………………………………………………………....56 EK-2………………………………………………………………………………....57 EK-3………………………………………………………………………………....59 ÖZGEÇMİŞ…………………………………………………………………………67 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 1.1. Kablosuz İletişim Teknolojilerinin Karşılaştırılması...………………… 7 Çizelge 4.1. 20 km mesafede açılara bağlı elektrik alan şiddetinin değerleri……….35 Çizelge 4.2. 30 km mesafede açılara bağlı olarak elektrik alan şiddetinin değeri…...................................................................................................36 Çizelge 4.3. 40 km mesafede açılara bağlı olarak elektrik alan şiddetinin değeri.......................................................................................................37 Çizelge 4.4. 40 Derece açıda elektrik alanın dB olarak gösterimi………………...38 Çizelge 4.5. 40 Derece açıda elektrik alanın (V/m) olarak gösterimi……………..38 Çizelge 4.6. 20 km mesafede açılara bağlı olarak manyetik alan şiddetinin değeri......................................................................................................45 Çizelge 4.7. 30 km mesafede açılara bağlı olarak manyetik alan şiddetinin değeri…………………………………………………………………46 Çizelge 4.8. 40 km mesafede açılara bağlı olarak manyetik alan şiddetinin değeri…………………………………………………………………46 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 1.1. WiMAX’in Diğer Erişim Teknolojileriyle Karşılaştırılması…………. 3 Şekil 2.1. Işıma paterninin koordinat düzleminde gösterimi……………………...14 Şekil 2.2. Işıma Diyagramında Bulunan Parametrelerin Gösterimi………………15 Şekil 2.3. Yatay ve dikey polarizasyon örnekleri…………………………………21 Şekil 3.1. Bir Omni directional antenin baz istasyonundan 360 derece yayını…….25 Şekil 3.2. Sektör antenin baz istasyonundan 60 derece yayını ve kapsama alanının gösterimi..……………………………………………………….26 Şekil 3.3. SISO, SIMO, MISO ile karşılaştırılarak MIMO’nun açıklanması………28 Şekil 3.4. MIMO Kanal Modeli ……………………...…………………………….29 Şekil 4.1. 20 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma paterni……………39 Şekil 4.2. 20 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alanının lineer çizimi…...……40 Şekil 4.3. 20 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu elektrik alan ışıma paterni…………………………………………………………………...40 Şekil 4.4. 30 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma paterni……………41 Şekil 4.5. 30 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma paterni…………....41 Şekil 4.6. 30 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu elektrik alan ışıma paterni……………………………………………………………………42 Şekil 4.7. 40 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma paterni……………43 Şekil 4.8. 40 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma paterni…………....44 Şekil 4.9. 40 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu elektrik alan ışıma paterni……………………………………………………………….......44 Şekil 4.10. 40 km’de yönlendirilmiş antenin manyetik alan ışıma örüntüsü……...47 Şekil 4.11. 30 km’de yönlendirilmiş antenin manyetik alan ışıma örüntüsü……….48 xiii Şekil Sayfa Şekil 4.12. 20 km’de yönlendirilmiş antenin manyetik alan ışıma örüntüsü……….48 Şekil 4.13. 40 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu manyetik alan ışıma örüntüsü……………………………………………………………..…..49 Şekil 4.14. 30 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu manyetik alan ışıma örüntüsü……………………………………………………………..…..49 Şekil 4.15. 20 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu manyetik alan ışıma örüntüsü……………………………………………………………..…..50 xiv RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Directional Anten Örneği……………………………………………….24 Resim 3.2. Directional Anten Örneği ...................................................................... ...24 Resim 3.3. OmniDirectional anten örneği............................................................... 25 Resim 3.4. 120° Sektör Anten ................................................................................. ...27 Resim 3.5. 180° Sektör Anten ................................................................................. ...27 Resim 3.6. Panel Anten……………………………………………………………..27 xv HARİTALARIN LİSTESİ Harita Sayfa Harita 1.1. Dünya’da WiMAX teknolojisinin ülkelere göre kullanılan frekans bandları…………………………………………………………..5 xvi SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılan simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmaktadır; Simgeler Açıklama dB Desibel E Elektrik Alan GHz Gigahertz H Manyetik Alan Hz Hertz I Akım, amper (A) MHz Megahertz T Tesla V Volt (V) Z Empedans (Ω) λ Dalgaboyu (m) q Coloumb Kısaltmalar Açıklama 3G Third Generation (3. Nesil) BTK Bilgi Teknolojileri ve İletişim Kurumu CDMA Code Division Multiple Access (Kod Bölmeli Çoklu Erişim) CPE Customer Premises Equipment (Müşteri Tarafından Kullanlan Cihaz) DSL Digital Subscriber Line (Sayısal Abone Hattı ) EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution (Global Gelişme için Geliştirilmiş Data Hızları) xvii Kısaltmalar Açıklama ETSI Europen Telecommunication Standarts Institute (Avrupa Telekomünikasyon Standartları Enstitüsü) FTTX Fiber To The X (X Noktasından Fibere) GSM Global System for Mobile Communications (Küresel Mobil İletişim Sistemi) HIPERMAN High Performance Radio Metropolitan Area Network (Yüksek Performans Radyo Metropol alan Ağı) IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü) LAN Local Area Network (Yerel Alan Ağı) LOS Line of Sight (Görüş Hattı) LTE Long Term Evolution (Uzun Vadede Gelişme ) MIMO Multiple-Input Multiple-Output (Çoklu Giriş Çoklu Çıkış) MISO Multiple-Input Single-Output (Çoklu Giriş Tekli Çıkış) NLOS Non-Line of Sight(Görüş Hattında Olmayan) PDA Personel Digital Assistant (Kişisel Dijital Asistan) SIMO Single-Input Multiple-Output (Tekli Giriş Çoklu Çıkış) SISO Single-Input Single-Output (Tekli Giriş Tekli Çıkış) Wi-Fi Wide Field (Geniş Alan) WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access (Mikrodalga Erişim İçin Dünya Çapında Birlikte Çalışabilirlik) WLAN Wireless Local Area Netwok (Kablosuz Yerel Alan Ağı) WPAN Wireless Personal Area Network (Kablosuz Kişisel Alan Ağı) UWB Ultra Wide Band (Ultra Geniş Band) 1 1. GİRİŞ İnternet ve erişim teknolojileri alanında yaşanan sıra dışı gelişmeler iletişimin daha hızlı ve daha kolay olması yönünde önemli yenilikleri de beraberinde getirmektedir. Bu çerçevede günümüzde etkili bir iletişim imkânı sunan WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access / Mikrodalga Erişim İçin Dünya Çapında Birlikte Çalışabilirlik), uygulamada önemli kolaylıklar sağlayan kablosuz teknoloji olma özelliğiyle ön plana çıkmaktadır. Bant uygulamalarının çok uzak mesafelerdeki kullanıcılara da ulaşabiliyor olması, kuşkusuz WiMAX’in tercih edilebilirliğini artırmaktadır. WiMAX, doğrudan görüş hattı içerisinde bulunmayan (NLOS / Non Line-of-Sight) alıcı-verici arasında büyük miktarlarda veriyi büyük mesafelere ileten kablosuz geniş bantlı haberleşme standardında çalışan sistem olarak tanımlanır. WiMAX adlandırılması, ortak bir standart verilmesi amacıyla WiMAX Forum tarafından Haziran 2001’de kabul edilmiştir. WiMAX Forum; IEEE 802.16/ETSI HiperMAN (High Performance Radio Metropolitan Area Network / Yüksek Performanslı Radyo Metropol Alan Ağı) standartları ile uyumlu çalışabilen geniş bant kablosuz ürünlerin gelişimi, uyumluluğu üzerine sertifikaları şekillendiren, WiMAX endüstrisini yönlendiren ve kar amacı gütmeyen uluslararası nitelikli bir kuruluştur. WiMAX Forum, uluslararası pazarda bu sistemlerin tanıtımını hızlandırmayı da amaçlar. WiMAX Forum, piyasaya çıkan ürünlerin mobil, sabit ve taşınabilir geniş bant servisleri ile tam olarak uyumluluğunu ve bu servislerin desteklenmesini temin etme doğrultusunda, gerek kamusal otoritelerin ve gerek sivil sektörün ihtiyaç ve taleplerini de dikkate alır [1]. IEEE 802.16, sabit geniş bantlı telsiz erişim sistemleri için geliştirilmiş hava arayüzü olarak tanımlanır. IEEE 802.16-2004, ilk versiyon olan 802.16-2001, ve 802.16a, 802.16c standartlarını da içine alır. WiMAX, sabit bir istasyonda yaklaşık 50 kilometre (km), mobil istasyonlarda 5-15 km geniş band kablosuz erişim sağlayabilmektedir. 2 WiMAX, ilk haliyle 10-66 GHz frekans aralığında hizmet vermek için tasarlanmıştır. Fakat bu frekans aralığı, yeterli bir görüş hattı gerektirdiğinden, 2004 yılında IEEE 802.16-2004 olarak bilinen 802.16d ile bu aralık, 2-11 GHz’e düşürülerek lisanslı ve lisanssız olarak kullanılabilir hale getirilmiştir. WiMAX teknolojisine mobilite özelliğini kazandıran ve Aralık 2005’te onaylanarak yayımlandığı için 802.16e-2005 olarak da anılan 802.16e standardı ile bu frekans aralığı; 2 – 6 GHz olarak belirlenmiştir. Bu uygulama ile 120 km/s hıza kadar mobilitenin desteklenmesi ve bina içi kapsamanın da çok daha iyi olması hedeflenmektedir. WiMAX bağlantısından önce geniş alanda internet kullanımı; LAN (Local Area Netwok / Lokal Alan Ağı) ve WLAN (Wireless Local Area Netwok / Kablosuz Lokal Alan Ağı) bağlantıları ile MAN (Metropolitan Area Network / Metropol Alan Ağı) sistemine bağlanmakta idi. Ancak bu tip ağlarda elde edilen verimlilik düzeyi daha düşük olmaktadır. Bu nedenle verimliliği daha yüksek olacak bir sistem olarak WiMAX tercih edilmektedir. WiMAX’in iki önemli kullanım eğilimi ön plana çıkmıştır: Kablosuz iletişim teknolojileri ile lokasyondan bağımsız erişilebilir olmak Evde ya da ofis içerisinde sahip olunan yüksek bant genişliğine hareket halindeyken de sahip olmak. Bu özellikleri karşılayabilecek geniş bant çözümleri bulunmaktadır. Ancak bu çözümlerin başında WiMAX gelmektedir. WiMAX sistemlerini kullanıcılar açısından düşünüldüğünde pek çok açıdan sınıflandırma yapmak mümkündür. Temel olarak WiMAX kullanıcılarını üç grupta sınıflandırmak mümkündür: 3 Sabit Kullanıcılar: Kullanıcıların sabit bir noktadan fiziksel bağlantı ile bağlı oldukları sistemlerdir (DSL: Sayısal Abone Hattı). Göçebe Kullanıcılar: Kullanıcılar farklı noktalarda tekrar bağlantı kurabilmekte, fakat geçiş esnasında kesinti yaşamaktadır (Wi-Fi: Geniş Alan). Mobil Kullanıcılar: Kullanıcılar bir servis sağlayıcı noktadan bir başkasına geçerken servislerinde kesinti yaşanmamaktadır (GSM, 3G, WiMAX, LTE) [2]. Şekil 1.1. WiMAX teknolojisinin diğer erişim teknolojileri ile bağlantı hızı ve hareket (mobilite) kabiliyetine göre pozisyonu 4 Şekil 1.1’de WiMAX teknolojisinin diğer erişim teknolojilerine göre mukayeseli durumu verilmiştir. Burada erişim teknolojileri, yatay eksende hareket kabiliyetine göre; sabit, aralıklarla, her daim ve mobil olarak ayrılmıştır. Dikey eksen ise bağlantı hızını göstermektedir. Burada WiMAX teknolojisi hareket kabiliyeti açısından en geniş segmente sahip olurken bu kategoride de en yüksek hıza sahiptir. Bağlantı hızı açısından baktığımızda WiMAX’in sabit erişim teknolojileri olan Fiber ve DSL ile özellikle kampüs alanda kullanılan Wi-Fi teknolojisinin hemen ardından gelmektedir. Hareket kabiliyeti açısından bakıldığında ise bugün itibari ile WiMAX, 3G teknolojisinin hemen ardından en yüksek düzeyde mobiliteyi sağlayacak teknolojidir. En geniş segmenti kaplayan WiMAX’te kullanıcı profillerinin ihtiyacına cevap verebilecek iş modelleri bulunmaktadır. Ayrıca WiMAX teknolojisinin kullanıldığı şebekelerle birlikte belirli bir noktadan sonra WiMAX’in tamamlayıcısı olarak DSL, FTTX (Fiber To The X / X Noktasından Fibere) gibi farklı teknolojilerle birlikte kullanılabilir [3]. Dünyada ve Türkiye’de WiMAX 2007 yılında dünyada WiMAX 802.16e’ye ilişkin gelişmeler büyük bir ivme kazanarak mobil ve sabit kullanım için ilk ticari uygulamalar gerçekleşmiştir. WiMAX, 3G ile birlikte resmi olarak IMT-2000 teknolojisi olarak kabul edildi. Sahadaki gerçek uygulamalarda ses ve hareket kabiliyetine yönelik özellikler test edildi, onaylandı ve 2008 yılında WiMAX telekomünikasyon sektöründe teknolojik ve ticari olarak hayata geçmiştir. 2008 yılında geniş bant kablosuz erişim yatırımı yaklaşık 1,2 Milyar € iken, bu rakamın 2011’de ise yaklaşık 3 Milyar € olması ve bu alandaki yatırımların yaklaşık %90’ını WiMAX 802.16e’nin oluşturması öngörülmektedir [3]. İlk mobil WiMAX uygulaması, Kore’de WiBro (Wireless Broadband / Kablosuz Geniş Band) ismiyle 2.3 GHz bandında yapılmıştır. Şubat 2002’de Kore hükümetinin 5 100 MHz band genişliği tahsis etmesi üzerine geliştirilmeye başlanmış ve 2004 sonunda standartlaştırılmıştır. 2006 yılında ise WiBro servisi başlatılmıştır. WiMAX’in uygulama alanlarından bazılarını şu şekilde sıralamak mümkündür: Kırsal alanlara geniş bant erişiminin ulaştırılabilmesi, Kablosuz DSL erişimi, Hücresel şebekelerin üst bağlantısı, Üniversite ve teknokent yerleşim ağları (Kampüs), Temel ve örgün eğitim ağları, Banka ve finansal kuruluş ağları, Sosyal, güvenlik ve sağlık ağları, Uzaktan kontrol uygulamalar (petrol, doğalgaz firmaları), İnşaat firmaları, KOBİ [4]. Harita 1.1. Dünya’da WiMAX teknolojisinin ülkelere göre kullanılan frekans bandları 6 WiMAX Forum; IEEE’nin belirlediği standartlar çok kapsamlı ve genel olduğu için 802.16’ya özel olarak kurulmuş bir organizasyondur. Farklı firmaların sistemlerinin birbirleri ile çalışabilmesi için bant genişliği, frekans bandı, duplexing yöntemleri gibi konularda standartları belirler. WiMAX 1.25 MHz’den 20 MHz’e kadar band genişliklerini desteklemektedir. Kullanılan ve standart hale gelmiş bant genişlikleri ise 5, 7, 10 ve 3,5 MHz’tir. 802.16d versiyonunda 20 MHz band genişliğinde 75 Mbps hıza ulaşırken, mobilite özelliğinin eklendiği 802.16e versiyonunda 10 MHz bant genişliğinde 20 Mbps hıza ulaşmaktadır. WiMAX teknolojisinin uygulanmasında en önemli unsurlardan birisi frekans aralığı tahsisidir. Şekil-2’de de görüldüğü gibi genellikle 2.3, 2.5 ve 3.5 GHz frekansları kullanılırken bazı bölgelerde 2.5 ve 3.5 GHz frekanslarının her ikisinin birlikte kullanıldığını, bazı bölgelerde bunlara ilaveten 5.8 GHz frekansı da kullanılmaktadır [3]. 2,5 GHz, 3,5 GHz ve 5,8 GHz frekanslarını ülkemizde incelediğimizde 2500-2690 MHz bandı IMT-2000 kullanımına ayrılmış ve henüz kullanılmamaktadır. 5.8 GHz (5725-5875 MHz) frekans bandı hâlihazırda Milli Frekans planında askeri sistemlere tahsisli görülmektedir. BTK tarafından yapılan açıklamada 2010 yılında WiMAX lisanslandırılma işlemi gerçekleştirileceği belirtilmiştir [5]. Çizelge 1.1’de kablosuz iletişim teknolojilerinin hangi standartlarda oldukları, hızları, sınıfları, frekansları ve mesafelerinin kıyaslaması yapılmıştır. Bu çizelgede bulunan CDMA2000 teknolojisi yüksek geniş bantlı data iletimi ve yüksek kapasitede ses hizmetleri için etkili bir 3G standardında bir teknolojidir. CDMA2000 aynı anda birkaç ses, video ve data servisine aynı anda erişimine olanak sağlar. Ayrıca 3G için IMT-2000 gereksinimleriyle tamamen uyumludur [6]. UWB (Ultra Wide Band / Yüksek Geniş Band) teknolojisi, yüksek hızda kişisel alan ağına izin veren bir teknolojidir. IEEE’nin 802.15.3a standardı olarak bilinir. UWB’nin en büyük özelliği, düşük enerji harcaması ve frekans aralığının geniş 7 olmasıdır. Böylece UWB, pek çok teknolojiye kablosuz kullanım özelliği sağlamaktadır [7]. Çizelge 1.1 Kablosuz İletişim Teknolojilerinin Karşılaştırılması Teknoloji Standart Kullanımı Hız (Mbps) Mesafe Frekans UWB 802.15.3a WPAN 110-480 10 m 7.5 GHz WiFi 802.11a WLAN Max. 54 100 m 5 GHz WiFi 802.11b WLAN Max. 11 100 m 2.4 GHz WiFi 802.11g WLAN Max. 54 100 m 2.4 GHz Max. 75 (20 6.5-10 MHz km WiMAX 802.16d WMAN Bant Genişliğinde) WiMAX 802.16e <11 GHz Mobil Max. 30 (10 1.5-5 WMAN MHz km 2-6 GHz 1.5-8 1800, km 1900, Bant Genişliğinde) Max. WCDMA/ UMTS 3G WWAN 2 (HSDPA ile Max. 10) 2100 MHz CDMA2000 1xEV-DO 3G WWAN Max. 2.4 (tipik 300- 600 Kbps) 1.5-8 400, km 800, 900, 1700, 1800, 1900 2100 8 EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution / Global Gelişme için Geliştirilmiş Data Hızları) teknolojisi GPRS altyapısını kullanarak veri iletiminde GPRS’den yaklaşık 2-3 kat daha yüksek hızda erişim olanağı sağlayan bir 3G teknolojisidir [8]. Bazı teknolojilerin özellikleri itibariyle birden fazla gurupta yer alabilmesine rağmen yaygın kullanımları dikkate alınarak kablosuz iletişim teknolojilerini Çizelge 1.1’de belirtildiği şekilde sınıflandırmak mümkündür [9]. Türkiye’de WiMAX çalışmalarının hız kazanması açısından önemli bir çalışma Jale Küçükünsal tarafından yapılmıştır. Jale Küçükünsal, “Metropol Alanlar için Kablosuz Erişim Uygulamaları ve Düzenleme Önerileri” adlı uzmanlık tezinde; WiMAX’i sabit, göçebe, taşınabilir ve mobil erişimleri destekleyen bir geniş bant kablosuz erişim teknolojisi olarak tanımlamıştır. Öte yandan, geniş bir frekans aralığında; esnek kanal bant genişliklerini ve görüş hattında olan veya olmayan, noktadan noktaya, noktadan çok noktaya uygulamaları destekleyen WiMAX teknolojisi uygulama alanları ve standartlarını incelemiştir. Düzenleyici otoritelere gönderdiği anketlerin de katkısıyla ülkelerin WiMAX teknolojisine yaklaşımları belirleyerek, Türkiye’nin bu teknoloji içerisinde zamanında yer almasını sağlamak amacıyla düzenlemeleri de içeren önerilerde bulunmuştur [10]. U. Navrasiwala, M. Schirmacher, N. Buris, M. Schamberger; “A Comparative Study of WiMAX Subscriber Equipment Antennas” adlı makalelerinde çeşitli çevrelerde tekli anten sistemi iyi performans için zorlanırken; MIMO (Multiple Input Multiple Output / Çoklu Giriş Çoklu Çıkış) anten sistemlerinin farklı çevrelerde sunduğu önemli maliyet-performans avantajları ile fayda sağlamakta olduğunu belirtilmişlerdir. Diğer yandan, MIMO sistem performansı belirlenen noktalar için referans tayin edilmiştir. Söz konusu makalede; çeşitli çevrelerde WiMAX MIMO anten modüllerinin çalışmaları gösterilmiştir. Yapılan bu çalışmalar doğrultusunda, geniş alanlarda düşük kazançlı antenler yüksek kazançlı antenler için çok yüksek verimli alternatifler olarak tercih edilebileceği sonucuna varılmıştır [11]. 9 Bu paralelde yapılan bir diğer çalışmada ise geniş bant uygulamalarına atıf yapılmaktadır. Ahmet Cengiz, Kerem Gündüz ve N. Özlem Ünverdi “WiMAX Teknolojisinde Performans Analizi” adlı makalelerinde; IEEE 802.16 WirelessMAN standartlarına uygun, etkin ve ölçeklenebilir bir QoS (Qulatiy of Services / Servis Kalitesi) algoritması tasarlamışlardır. Tasarlanan algoritma, WiMAX teknolojisinde performansın artırılabilmesi için farklı tipteki servisleri önceliğine göre sıraya koyabilen ve bu servisler için talep edilen bant genişliklerini aktarabilen bir yapıdadır. Java programlama dili ile Netbeans IDE6.1 bir kullanıcı arayüzü geliştirerek her abone ve her servis için ayrı ayrı bant genişliği talebinde bulunabilme imkânı sunmuşlardır. Tasarladıkları QoS algoritması arka planda çalıştıktan sonra abonelere ve talep ettikleri servislere aktarılan bant genişlikleri kullanıcı arayüzünde görülmektedir [12]. İlgili literatürde, kapsama analizine ilişkin yayılma ölçümleri de irdeleme konusu olmuştur. Sara Abelsson “Propagation Measurement at 3.5 GHz for WiMAX” (3.5 GHz de WiMAX Yayılma Ölçümleri) adlı tezinde; 3.5 GHz frekansında yayılma ölçümleri yapmıştır. Yapılan ölçümlerde kapsama analizinin başarılı olarak tamamlamasını amaçlamıştır. Ölçüm şirketinden toplanan bilgileri Matematik yazılım paketi MATLAB (MATrix LABoratory) programı kullanarak analiz etmiştir. Toplanan bilgiler kayıp yol modelleri kullanılarak bu modeller arasında karşılaştırma yapılmıştır. WRAP (Weather Risk Analysis and Portrayal System / Hava Risk Analizi ve Kaydetme Sistemi) adı verilen analiz tahmininde kullanılan program ile toplanan bilgiler karşılaştırılmıştır. Bu tezde ölçüm esnasında farklı antenler kullanılarak sonuçları karşılaştırılmıştır [13]. Bu alanda yapılan bazı resmi yayınlarda da WiMAX’te kullanılan çok yönlü antenlerin performans avantajı ön plana çıkarılmaktadır. 10 “A Practical Guide to WiMAX Antennas: MIMO and Beamforming Technical Overview” (WiMAX Antenler için Uygulama Rehberi: MIMO ve Işın Tekniğine Bakış) adlı resmi çalışma raporunda (white paper), MIMO gibi çoklu-anten uygulamaları yapılarda kurulumlarını artırabilmek için, en sorunlu çevrelerde bile kapsama ve kapasite açısından önemli fırsatlar sunmaktadır. Çok yönlü anten uygulamaları ile WiMAX’in performans avantajları ile beraber WiMAX operatörleri bugün servis kapsama alanında değişken istekleri en uygun ağa dönüştürerek hızlı bir şekilde uygulayabilir ve artan istekleri de kolay şekilde karşılayabilir [14]. WiMAX’in farklı ağlarda kullanımını ön plana çıkaran bir diğer çalışma da inceleme konusu olmuştur. M. Erkan Yüksel ve Selçuk Sevgen “Erişim Ağlarında WiMAX’in Optik Ağlarla Kullanımı” adlı makalelerinde; WiMAX ve fiber optiğin yararlarını (mobilite ve taşıma kapasitesi) birleştirerek, erişim ağları için çeşitli kablosuz-optik birliktelikler öne sürülebilir olduğunu ve böyle bir birlikteliğin kablosuz ağların kapasitesini, erişim ağlarının da taşınabilirliğini artırabildiğini ifade etmişlerdir. Ayrıca uç noktalardaki merkezileştirilmiş yönetim sayesinde erişim noktalarının karmaşıklığı azaltılabilmekte olduğu belirtilmiştir. Fiber iletim teknolojisinin sağladığı yüksek bant genişliği ve kablosuz yapıların beraberinde getirdiği taşınabilirlik temel alındığında bu iki teknolojinin birleştirilmesi erişim ağlarında maliyeti azaltan sağlam bir çözüm olduğunu vurgulamışlardır. Çalışmalarında; WiMAX-fiber optik etkileşimi ve erişim ağlarına katkıları incelenmişler ve önerdikleri mimari, fiber optik erişimini ve bant genişliği kullanımını özellikle kablosuz iletim etki alanındaki son kullanıcılar için daha verimli bir hale getirmeyi amaçlamıştır [15]. “WiMAX Antenlerinin Performans Analizi” isimli bu tez çalışmasında 3,5 GHz’de çalışan yönlü (directional) antenlerin açılarının ve mesafelerinin değiştirilmesi suretiyle elektrik alan ve manyetik alan değerleri hesaplanmıştır. Böylece, elektrik alan ve manyetik alan değerlerinin hangi açılarda daha iyi sonuçlar verdiğini analiz edilmiştir. Antenin çalışma açıları 30, 60 ve 90 derece olarak seçilmiş ve 20, 30 ve 40 km mesafeler referans alınmıştır. 11 Araştırma sürecinde öncelikle literatür taraması yapılmış ve edinilen bilgiler değerlendirilerek kaydedilmiştir. Simülasyon programı olarak MATLAB programı kullanılmıştır. Bu tez çalışması, beş ana bölümden oluşmaktadır. Giriş bölümünde, WiMAX hakkında genel bilgiler, çalışma frekansları, dünyada ve Türkiye’de WiMAX’in durumu ele alınmıştır. İkinci bölümde ise anten teorisi genel hatlarıyla işlenerek; antenler, kullanım yerlerine göre sınıflandırılmıştır. WiMAX antenleri hakkında kısa bilgilerin verildiği üçüncü bölümde ise elektrik alanlar ve manyetik alanlar özetlenerek formülleri verilmiştir. En iyi değerleri içeren açıyı bulma amacıyla gerçekleştirilen simülasyon sonuçları dördüncü bölümde yer almaktadır. Sonuç bölümünde, elde edilen bulgular değerlendirilerek yorumlanmaktadır. 12 2. GENEL ANTEN TEORİSİ 2.1. Antenler ve Anten Parametreleri Uzak mesafeler arasında bilgi (ses, görüntü vb.) taşınması kablo ile yapıldığında, zor ve masraflı olduğu kadar; uzun hatların çekilmesi ve daimi bakımının getirdiği birçok teknik problemlere neden olur. Bilgi taşınmasında elektromanyetik dalgalardan istifade edildiğinde, bu dalgaları yüksek enerji ile atmosfere (veya uzay boşluğuna) bırakabilecek elemanlar gereklidir. Yine boşlukta yayılmakta olan elektromanyetik dalgaların amaca uygun olanını yakalayıp yükseltme işleminden sonra alıcı cihaza aktarılması gerekir. Anten, bu iki temel ihtiyaca cevap verir [16]. Anten, elektrik sinyallerini elektromanyetik dalgalara dönüştüren ya da elektromanyetik dalgaları elektrik sinyallerine dönüştürmek için kullanılan sistemlere verilen genel addır [16]. Anten çift yönlü bir dönüştürücüdür. Verici anten olarak tasarlandığında, besleme noktalarına uygulanan elektrik enerjisini boşlukta bir elektromanyetik dalga enerjisi haline dönüştürür. Alıcı anten olarak tasarlandığında ise ortamdaki elektromanyetik dalganın taşıdığı enerjiyi çıkış uçlarından alan elektriksel enerji haline dönüştürmektedir [17]. Antenler teorik olarak 5 (beş) kritere göre sınıflandırılabilir [15]: 1. Kullanım şekli : Alıcı, Verici 2. Kullanım yeri : Radyo, TV, radyoteleskopiv.b. 3. Fiziki şekli : Parabolik v.b. 4. Yayın Yönü : Omnidirectional (Yönlü), Directional (Tek Yönlü) 5. Yayın Frekansı : VHF, UHF, Radyo-Link v.b. Elektromanyetik enerjiyi uzayda kendinden eşit uzaklıktaki noktalara eşit olarak yayan, ya da noktalardan eşit olarak alan antenlere “yönsüz anten” denir. 13 Genellikle kullanılan antenler yönlüdür ve elektromanyetik enerjiyi belirli bir yöne, diğer yönlere nazaran daha yoğun olarak gönderen ya da alan antenlerdir. Sayısal veya analog işaretleri, (telefon, Radyo-TV gibi) bir noktadan diğer bir noktaya veya bir noktadan birden çok noktaya ileten sistemler, Radyo-Link sistemler olarak tanımlanır. Ülkemizde radyo-bağlantı sistemleri, 1–3 GHz, 4–6 GHz, 7–8 GHz, 10GHz, 23 GHz, 28 GHz, 38 GHz ve 58 GHz frekans bantlarında çalışmaktadır. Kullanım amacına, kullanım bölgesine ve mesafeye göre frekans bandı değişir. İstenmeyen yönlerde ve yerlerde sinyallerin bastırılması, anten için büyük önem arz eder. Bu noktada da aşağıda bahsedilecek olan anten parametrelerinin birbirleri ile ilişkisi, değişimi antenlerin verimli olarak işlevlerini yürütebilmesi açısından önemli rol oynar. Anten performansını etkileyen önemli bazı parametreleri şu şekilde sıralamak mümkündür; Işıma Örüntüsü (Radiation), Yönlülük (Directivity), Verimlilik (Efficiency), Kazanç (Gain), Band Genişliği (BandWidth) Polarizasyon (Polarization) Empedans (Empedance) Antenin fiziksel özellikleri [18]. Bir elektromanyetik dalga; uzaya doğru yayılan elektrik ve manyetik alan içerir ve burada bir elektrik ve manyetik kuvvet oluşturur. Serbest uzayda bir antenden iletilen enerjinin; geniş alanda dalganın dışarı doğru hareketi ışıma olarak adlandırılır [19]. 14 Küresel koordinatlarda yatay ve düşey açılarla belirlenen anten örüntüsü için yatay ve düşey anten örüntülerinin kullanılması, uygulamada son derece önem taşır. Işıma Örüntüsü (Radiation Pattern); yakın alan ve uzak alanda kaynaktan veya antenden konumu, yönlülüğü, güç ve kayıp gibi parametreler elde edilir. Işıma örüntüsü, genellikle uzak alanlar için anlamlı sonuçlar verir. Uzak alan; genel olarak antenden /λ kadar olan mesafeler olarak alınır. Bu formülde; (λ): dalgaboyu’nu, (D): antenin en büyük boyutunu ifade eder. Şekil 2.1’de bir antenin ışıma örüntüsü koordinat sisteminde gösterilmiştir. Şekil 2.1 Işıma örüntüsünün koordinat düzleminde gösterimi Burada; 15 (r, θ, ϕ) koordinat sistemi bileşenleridir. r, θ, ϕ birim yön vektörleri olarak tanımlanır. Işıma Diyagramları; genellikle uzak alan bölgesi için kullanılır. Işıma diyagramları, yatay ve dikey grafiksel şeklinde verilir. Işıma diyagramında kullanılan parametreler Şekil 2.2’de görülmektedir. Ana Kulakçık (main lobe); maksimum ışımanın olduğu kulakçık (kazanç ve yönlülük v.b. ifade eder). Karışık bir antenin yatay ve dikey eksen ışımasında birçok kulakçık ve boşluklar mevcuttur. Kazancın en yüksek olduğu bölge ana kulakçık olarak adlandırılırken; minimum olduğu bölge ise boşluk olarak adlandırılır. Anten kazancı için bir değer verilmiş ise, bu değer ana kulakçık veya ana ışıma kazancına karşılık düşen değeridir. Şekil 2.2. Işıma diyagramında bulunan parametrelerin gösterimi Yan Kulakçıklar (sidelobe); ana kulakçık çevresindeki istenmeyen kulakçıklardır (kayıpları gösterir). Hiçbir anten belirtilen doğrultuya bütün enerjisini yayamadığından başka doğrultulara enerjinin yayılması kaçınılmazdır. Farklı yönlere bakıldığında küçük inişli çıkışlı dalgalanmalar görülür. Bu dalgalanmaların ise genel itibarıyla ana kulakçığın altında bir desibel değerinde gerçekleştiği görülür. 16 Arka Kulakçık (backlobe); antenin gerisinde oluşan kulakçık (kayıpları gösterir). Işıma Genişliği (HPBW / Half Power Wide Band); ana kulakçık gücünün yarıya (3 dB) düştüğü noktalar arasındaki açıdır. Işıma Güç Yoğunluğu (Radiation Power Density): Elektromanyetik dalgalar, bilgiyi bir noktadan diğer bir noktaya kablosuz ortamı kullanarak iletirler. Güç ve enerjinin elektromanyetik birlikte dalgalarla ilişkilendirildiği varsayıldığında; bir elektromanyetik alanda gücün değerini anlık Pointing vektör ile aşağıdaki gibi tanımlamak mümkündür: = Eşitlik 2.1’de X (2.1) elektrik alan şiddeti vektörü, manyetik alan şiddeti vektörünü ifade eder. Pointing vektör (W) güç yoğunluğu olduğundan toplam güç ( ); s= şeklinde ifade edilir. Burada s (2.2) küre yüzeyini ifade eder. Kompleks düzlemde anlık elektrik ve manyetik alan ifadeleri zaman düzleminde; E(x,y,z,t)=Re (2.3) H(x,y,z,t)= Re (2.4) biçiminde ifade edilir. Yönlülük (Directivity); antenin gücünü belirli doğrultuda yönlendirmesi ve diğer yönlere yöneltmemesi gerekir. Bu şekilde oluşturulan yönlendirmede anten güç 17 kaybından kurtulur. Bu yönelme, izotropik anten (her yöne eşit güç yayan anten), referans alınarak yapılır. Antenin yönlülüğü; en güçlü yayılım doğrultusundaki ideal izotropik antenden yayılan güç yoğunluğuyla ilgilidir [20]. Bu çerçevede yönlülük (D(θ,ϕ)) en genel ifadesiyle, antenin verilen yöndeki ışıma yoğunluğunun, bütün yönlerden ortalama gelen ışıma yoğunluğuna oranı olarak tanımlanabilir. D(θ,ϕ) = [Işıma Güç Yoğunluğu(θ,ϕ) /Toplam Işıma Gücü]x(4π) (2.5) Burada, ϕ ve θ; standart küresel koordinat açılarını ifade eder. İzotropik olmayan bir kaynağın yönlülüğü; izotropik bir kaynak üzerinde verilen yöndeki ışıma yoğunluğuna oranıdır. Yönlülüğe ilişkin genel eşitlik ifadesi; = (2.6) olarak verilir. Burada; U, izotropik olmayan bir kaynak üzerinde verilen ışıma yoğunluğu, izotropik bir kaynak üzerinde verilen ışıma yoğunluğu, , toplam ışıma gücüdür. Şayet özel bir yönlendirme yoksa maksimum yönlendirme ( ); elde edilmek istenirse, bu durumda maksimum yönlendirme; (2.7) 18 şeklinde ifade edilir. Bir antenin küresel koordinat sisteminde Ө ve ϕ bileşenlerindeki yönlülük ile toplam maksimum yönlülüğü D0 olarak aşağıdaki şekilde ifade edilir. (2.8) Öte yandan ve eşitlik 2.6’de genel ifadesiyle verilen yönlülük kullanılarak ϕ ve θ bileşenlerindeki yönlülükler çıkarılabilir. = (2.9) = (2.10) Işıma yoğunluğunu sabit ve maksimum değerde olduğu düşünülürse yönlülük; (2.11) Maksimum yönlülük olarak elde edilir. Burada, : Beam Solid Angle (Katı Açı) (Ek-1) dır. Anten Etkin Yüzeyi; Bir antenin etkin yüzeyi, kapalı alanlarda enerjinin korunumu göz önüne alınarak, ışıma gücünün hesaplanması ile açıklanabilir. Işıma gücü Pt olan eş-yönlü (izotropik) bir antenden R kadar uzaklıkta güç yoğunluğu Pt / (4π )’dir. Antenin (Watt/metrekare) boyutunda olan güç yoğunluğu, anteni çevreleyen kapalı bir yüzey üzerinde toplandığında (yani (4π ) ile çarpıldığında) ışıma gücünü verir. Eğer ortam kayıplı ise elektromanyetik dalgalar yayılırken, yayıldığı ortam tarafından yutularak zayıflar. Enerjinin korunumu ilkesi 19 göz önüne alındığında, toplam ışıma gücü; ortamda kaybolan güç ve yayılan gücün toplamına eşit olur. Antenin çektiği güç, var olan güç yoğunluğunun metrekare boyutunda bir yüzey ile çarpımı şeklinde hesaplanır. İşte bu metrekare büyüklüğündeki parametre, etkin yüzey olarak tanımlanır. Öte yandan, anten etkin yüzeyi, uzaydaki elektrik alanlarından anten uçlarına güç aktarabilme yeteneği olarak da tanımlanabilir [17]. Kazanç (Gain); antenin en önemli parametrelerinden biri olan kazanç, antenin performansını belirler. Bir antenin kazancı (kayıpsız izotropik bir kaynak için) yönlülük ve antenin verimi ile çok yakından ilgili bir karakteristiğe sahiptir. Eğer verimlilik % 100 değilse kazanç değeri yönlülükten daha azdır. Kazancın genel formülü şu şekilde verilebilir. G=k.D (2.12) Burada; k: antenin verimlililk faktörü ( 0≤ k≤ 1 ) G: antenin kazancı D: yönlülük faktörüdür. Kazancın etkin alana bağlı olarak hesaplanmasına ilişkin formülü de aşağıda verilmiştir: = Burada; Ae = Etkin anten açıklığı A= Anten fiziksel alanı Ka = Anten açıklık verimidir. = Ka·A (2.13) 20 Anten açıklık verimi, yayının açıklık üzerindeki dağılımına bağlıdır. Eğer bu dağılım doğrusal ise o zaman = 1 olur. Bu yüksek verim, doğrusal bir yayınla elde edilen, hayli yüksek olan yan kulakçıklarla dengelenir. Bu nedenle, daha pratik seviyelere sahip yan kulakçığı bulunan antenlerin anten açıklık verimleri, 1 (bir)’den daha azdır (Ae< A). Polarizasyon; yayınlanan dalganın polarizasyonu elektrik alanın hareket yönü olarak tarif edilir. Elektromanyetik alan ya da dalganın vektörel yönünü (yatay, dikey ya da dairesel) belirtmek için kullanılır. Polarizasyon linear (doğrusal), vertical (dikey) ve horizontal (yatay) olmak üzere ifade edilir. Elektrik alan toprak yüzeyine dik olarak hareket ediyorsa “dikey polarizasyonlu anten” denir. Elektrik alan toprak yüzeyine yatay olarak hareket ediyorsa buna da “yatay polarizasyonlu anten” denir. Verici anteni yatay polarizasyonlu ise alıcı antenin de yatay kurulması gerekir. Aksi takdirde verimli bir alış yapılamaz. Düşük ve orta frekanslarda dikey polarizasyonlu antenler kullanılır. Çünkü yerden yansıyan dalgalar da bu durumda iş görmektedir. Yüksek frenkansta ise yatay polarizasyon tercih edilir. Sebebi ise, tabii ve kaynağı insan olan gürültü ve parazitlerden daha az etkilenmesidir. VHF (çok yüksek frekans) ve UHF (ultra yüksek frekans) da yatay veya dikey polarizasyon yeterli gelmektedir. Dikey polarizasyonlu bu antenlerde, diğer istasyonların karışmaları daha az olur. 100 MHz’in altındaki frekanslarda dikey polarizasyonlu antenler daha faydalı olmaktadır. Engebeli arazide daha çok dikey polarizasyon etkilidir. Yatay polarizasyon da antenin yerden yüksekliği çok önemli değildir. Özellikle frekans modülasyonlu ve darbe modülasyonlu sinyallerin yayılmasında yatay polarizasyon çok kullanılır. Polarizasyon ile vektörel yönleri değiştirilmiş aynı frekansa sahip elektromanyetik dalgalar, birbirlerini etkilemeden farklı kullanıcılar tarafından paylaşılabilir [21]. Bu tezde kullanılan anten doğrusal dikey (linear vertical) polarizasyonludur. 21 Şekil 2.3 Yatay ve dikey polarizasyon örnekleri Şekil 2.3’te antenlerin yeryüzünden yansıyan görüntüleri verilmektedir. Şekil 2.3a’da görülen polarizasyon dikey polarizasyondur ve daima için maksimum değeri verir. Şayet bu polarizasyon yatay ise şekil 2.3b’de görüldüğü gibi için bunun değeri sıfır olur. 2.2. Kullanım Yerlerine Göre Antenler ve Anten Çeşitleri Antenlerin sınıflandırması farklı kriterlere göre yapılabilir. Alıcı ve verici antenler, işlevleri farklı olmasına rağmen temel yapı olarak birlikte incelenebilirler. Uygulamada karşılaşılan antenler çeşitli türde ve farklı geometrik yapıdadırlar. Dalga boyuna göre antenleri, temelde; Markoni ve Hertz olarak iki şekilde sınıflandırmak mümkündür. Hertz antenlerinin bir diğer adı da dipol (simetrik) antenlerdir ve yarım dalga boyundadırlar (λ/2). Markoni antenler ise; çeyrek dalga (λ/4) boyunda olup (asimetrik) antenlerdir. Markoni tipi antenler yere doğru dikey olarak kullanılırlar. Anten üzerinde oluşan akım-gerilim değişiminin simetriği toprak 22 üzerinde oluşur. Örnek olarak WiMAX teknolojisinde kullanılan antenler boyları oldukça küçüktür. Bu tezde kullanılan anten ise bir çeşit Hertz antendir. Geometrik yapısına göre antenleri ise, tel antenler ve açıklık antenler olarak ayırmak mümkündür. Tel antenler; yapıları iletken çubuk, çerçeve, dikdörtgen, kare, dairesel veya sarmal biçimde olabilirler. Tek bir çalışma frekansında ya da dar bir frekans bandında verimli çalışabilirler ve kazançları düşüktür. Açıklık antenler ise; daha ziyade yüksek frekanslarda tercih edilirler ve montajlarının kolay olması dolayısıyla uçak ve uzay araçlarında kullanılırlar. Hava şartlarından etkilenmemeleri için yalıtkan bir malzeme ile kaplanırlar. Ayrıca bu tip antenlerin kazançları da oldukça yüksektir. Kullanım yerleri dikkate alındığında antenler; alıcı antenler ve verici antenler olarak da tasnif edilebilirler. İyonosfer tabakasının yoğun olduğu zamanlarda bile gücü zayıf olan alıcı, vericilerle çok uzak mesafeler ile görüşme sağlayabilir. Antenleri genel olarak aşağıdaki gibi sıralamak mümkün olur; Dipol Antenler İnce Lineer Antenler Loop Antenler Helezoni (Spiral) Antenler Bikonik (Biconical) Antenler Silindirik Antenler Reflektör Antenler Lens Antenler Slot Antenler Horn Antenler. 23 Ayrıca besleme göz önüne alınarak, özel uygulamalarına göre antenler ve geniş bant uygulamalarında kullanılan antenler olmak üzere de ayırmak mümkün olur. 24 3. WiMAX ANTENLER 3.1. WiMAX Antenlere Genel Bakış Pek çok çeşitlilikte anten uygulamaları mevcuttur. Bu uygulamalar için farklı tipte ve boyutta antenler seçilirler. WiMAX, geniş bant kablosuz iletişim sistemleri için birden fazla tipte antenler kullanılabilmektedir. Anten tipleri, ikinci bölümde detaylı bir şekilde irdelendiğinden, burada özellikle WiMAX uygulamalarında kullanılan antenler ele alınacaktır. WiMAX antenleri radyo, cep telefonu, FM radyo veya TV antenleri gibi uygulamalar için performansı optimize edilerek tasarlanır. WiMAX uygulamalarında kullanılmakta olan öne çıkan anten tipleri aşağıda sıralanmaktadır. Yönlü (Directional) Anten Her yöne yönlü (Omnidirectional) Anten Sektör Anten Panel Antenler MIMO Anten Yönlü (Directional) Antenler; istenmeyen kaynaktan gelen parazit sinyalleri azaltarak; alıcı ve verici üzerindeki performansını artırarak bir veya daha fazla yöne gücün çok iyi ışımasına izin verirler. Yönlü antenler genellikle hedef nokta tespit edildiğinde tek yönlü sinyal güçlendirmek suretiyle performansın arttırılmasında kullanılırlar. 25 Bazı yönlü antenler genellikle yeryüzüne paralel bir düzlemde yalnızca belirlenen yönde düşünülmesine rağmen pratik antenler sınıfındaki bazı antenler kolaylıkla bir düzlemle çok yönlü olabilirler. Yönlü antenler, oldukça geniş bir kullanım alanına yayılmış durumdadırlar. Resim 3.1’de ve Resim 3.2’de yönlü anten örnekleri görülmektedir. Resim 3.1 Yönlü anten örneği Resim 3.2 İki farklı tipte bir yönlü anten Her yöne yönlü (Omnidirectional) antenler; yönlü antenlerin bir türüdür. Bu antenler, tek bir noktaya yönelik olmaksızın antenin kurulduğu alanda çevresel bir kapsamaya sahiptir. Her yöne yönlü antenler, dikey bir düzlemde bir yönlendirici örüntü ile bir düzleme gücü eşit olarak yayarlar. Her yöne yönlü antenler; TV yayınları ve hücresel telefon bağlantılarını da içeren açık alanda, noktadan çoklu noktaya haberleşme sistemlerinde, çok yönlü anten bağlantısı için kullanılabilmektedirler. Herhangi özel bir yönü olmadığından veya sadece belirli bir yönden geleni kabul etmediğinden dolayı bu antenler “yönlü olmayan” (non-directional) antenler olarak da bilinirler [22]. Resim3.1’de ve Resim 3.3’te her yöne yönlü anten örneği görülmektedir. Avantajlarının olduğu kadar, bazı dezavantajlara da sahip olan her yöne yönlü antenlerdeki sıkıntılardan biri, 360 derecede yayın yaptığından dolayı enerjinin bir kısmını soğurmasıdır. 26 Resim 3.3 Her yöne yönlü anten örneği Şekil 3.1 Her yöne yönlü antenin bir baz istasyonundan 360 derece yayını 27 Sektör Antenler; bu ismi ışıma örüntüsünün şeklinden dolayı almıştır. Yönlü antenlerin bir çeşidi olan sektör antenler, özellik olarak da belirli bir alanda ışımaya odaklanırlar. Şekil 3.2’de görüldüğü gibi bu antenler, noktadan çoklu noktaya bağlantılar için genellikle baz istasyonlarında kurulurlar ve mobil iletişimde kullanılırlar. Wi-Fi kullanım alanında ise pratikte 4-5 km civarında sınırlı mesafeler için kullanılırlar. Bu antenler daha az enerji ile daha uzun mesafelerde etkin olabilmektedirler. Pek çok operatörün 360 derecede hizmet vereceği kapsama alanında sektör antenleri her yöne yönlü antenlere göre sektör antenlerinin üstün performansından dolayı daha çok tercih edilebileceği öngörülmektedir [23]. Resim 3.4’de 120° de sektör anten ve Resim 3.5’de 180° de sektör anten örnekleri görülmektedir. Şekil 3.2 Sektör antenin baz istasyonundan 60 derece yayını ve kapsama alanının gösterimi 28 Resim 3.4 120° Sektör anten Resim 3.5 180° Sektör anten Panel Antenler; genellikle kare düz bir panel olarak tasarlanır (Resim 3.6). Bu antenlerin yüksek kazançlı ve düşük profilli olması, kablosuz ağlarda kullanımında performansının daha iyi olmasını mümkün kılar. Panel antenler de yönlü anten sınıfında kategorize edilirler. Panel antenleri ile potansiyel olarak WiMAX radyo konfigürasyonu gerçekleştirilebilir ve kare anten kapsamasını içerirler. Resim 3.6 Panel Anten 29 MIMO Antenler; adından da anlaşılacağı gibi çoklu giriş ve çoklu çıkışları olan; hem alıcı, hem de verici olarak kullanılan anten türleridir. Antenin bu özelliği kuşkusuz, haberleşme performansını artırır. Öte yandan MIMO antenler, akıllı antenlerin pek çok formlarından birisidir. MIMO çoklu giriş, çıkış ve buna atıf yapan teknolojilerin mobil cihazlarında çoklu antenler ve baz istasyonlarındaki çoklu antenlerin yerini alırlar. Çoklu anten teknolojilerinin kullanımı genellikle iki antenli hücresel telefonlar, iki antenli dizüstü bilgisayarlar içerir; tıpkı çoklu antenlerin kullanıldığı CPE (Customer-Premises Equipment / Müşteri tarafından kullanılan cihaz) cihazları gibi. Bilgi iletim oranının daha iyi olması için, MIMO teknolojisinin kullanılması, bilgi alışını ve iletimini iyileştirmektedir. WiMAX uygulamalarında MIMO teknolojisi büyük önem taşır [24]. Aşağıda Şekil 3.3.’de MIMO antenlerinin yapısı SISO, SIMO ve MISO örnekleri ile açıklanmaktadır. Şekil 3.3 SISO, SIMO, MISO ile karşılaştırılarak MIMO’nun açıklanması 30 SISO : Single-Input Single-Output (Tekli Giriş-Tekli Çıkış) SIMO : Single-Input Multiple-Output (Tekli Giriş-Çoklu Çıkış) MISO : Multiple-Input Single-Output(Çoklu Giriş-Tekli Çıkış) MIMO : Multiple-Input Multiple-Output(Çoklu Giriş-Çoklu Çıkış) Şekil 3.4’te, MIMO antenlerde anten sayısına göre kanal modeli kapsamında, alıcı antenlerin hangi verici anten ile eşleşeceğinin konfigürasyonu verilmektedir. Şekil 3.4 MIMO Kanal Modeli 3.2. Elektrik ve Manyetik Alanlar Fiziksel olayların anlatımında kolaylık olması açısından, genellikle alan kavramı kullanılır. Elektrik ve manyetik alanlar vektörel büyüklük olup yönü ve doğrultusu olan; yönü, geçtiği nokta ve başlangıç noktası tanımlanan bir vektör ile açıklanır. Elektrikle yüklü bir çubuğun çevresinde de bir deneme yüküne bir kuvvet etkiyorsa, o noktada bir elektrik alan vardır. Bu kuvvet, bu bölgede var olan yükler tarafından oluşturulmuştur [25]. Elektrik alan, elektrik yüklerinin 1coulomb değerindeki pozitif bir yüke uyguladığı kuvvet olarak tanımlanır. Yüklerin çevresinde elektrik alan çizgileri bulunur. Yükler bu alan çizgileri yardımıyla birbirine kuvvet uygularlar. Eğer nötronda olduğu gibi, yükün elektrik alan çizgileri yoksa elektriksel kuvvetten etkilenmemektedir. Elektrik alan çizgileri pozitif yükten negatif yüke doğrudur. 31 = (3.1) Burada; E : Elektrik alan vektörü F : Yüke etkiyen kuvvet vektörü q : Yük değerini ifade eder. Manyetik alanın kaynağı olarak da manyetik yükün bir manyetik alan yarattığı ve bu alanın diğer manyetik yüklere etki edebileceği beklenebilir. Manyetik alanın nasıl oluştuğu ise aşağıdaki şekilde açıklanabilir. Elektriksel olarak yüklü parçacıklar (bir teldeki gibi) tarafından meydana getirilen manyetik alan bir diğer ifade ile herhangi bir akım ilmeği manyetik Alana ve buna karşılık gelen manyetik moment sahip olduğunda çevresinde bir manyetik alan meydana getirir. Bir akım tarafından oluşturulan manyetik akı yoğunluğuna B dersek; bir kaynak olmaksızın manyetik alan şiddeti; (3.2) şeklinde yazılabilir. Statik(durgun) alanlar için elektrik alan ile manyetik alan arasında bir ilişki yoktur, ancak değişen alanlarda manyetik alan ile elektrik alan arasındaki ilişkiyi göz önüne alarak, bu ilişkiyi aşağıdaki şekilde ifade etmek mümkündür. (3.3) Burada bileşeni ve elektrik alanın yönündeki bileşeni, Φ manyetik alanın Φ yönündeki boşluğun empedansını ifade etmektedir. ( Boşluk için =377 ohm ) 32 Elektrik alan şiddeti vektörü , bilinen yük dağılımlarından elde edilir ancak daha sonra elektrik potansiyeli V geliştirilmiş ve , V’nin negatif gradyantı; = (3.4) şeklinde elde edilir. Benzer biçimde bir vektör manyetik potansiyeli de manyetik alan hesaplanmasında ’nin dolayısıyla da ’nin hesaplanmasında büyük önem arz eder. WiMAX için bu çalışma da tercih edilen sektör anten bir çeşit dipol antendir. Bu bağlamda uzak alanda fazör formdaki elektrik alan şiddeti vektörü E; = (3.5) olarak ifade edilir. Manyetik alan şiddeti ise; = (3.6) biçiminde ifade edilir. Polar koordinatlarda vektör manyetik potansiyel vektörünün aşağıdaki şekilde ifade edilmesi mümkündür; = Burada eder. r, θve ϕ r.Ar+ θ. Aθ+ ϕ. Aϕ birim yön vektörlerini, (3.7) , , gelişi güzel genlikleri ifade 33 = (3.8) Dipol için Aϕ =0 olarak alınır. Ax=0, Ay=0 olduğunda; eşitlik 3.8’de verilen koordinat sistemi dönüşüm matrisinden; (3.9) (3.10) olarak bulunur. elektrik akımının gecikmeli vektör manyetik potansiyeli olarak aşağıdaki Burada şekilde verilir; (3.11) Burada; L : dipolun uzunluğu : akımın peak değeri : serbest uzayın geçirgenlik sabiti (4π x k : dalga sayısı (ω r : dipol antenin mesafesidir. ) ) Buradan eşitlik 3.11’i eşitlik 3.9’da yerine koyarsak; . (3.12) 34 olarak bulunur. Polar koordinatlarda V’nin gradyenti; . (3.13) Eşitlik (3.4)’den hareketle Elektrik alanın polar koordinat bileşenleri aşağıdaki şekilde ifade edilebilir; E= . (3.2), (3.4) ve (3.7) eşitliklerinden (3.14) nin üç genlik bileşeni şu şekilde yazılabilir, (3.15) (3.16) (3.17) daha önce =0 olduğu belirtilmişti. Bundan hareketle dır. (3.9) ve (3.10) eşitliklerini (3.15) ve (3.16) eşitliklerinde yerine yazılırsa; (3.18) ve (3.19) Elektrik alanın sırasıyla ve bileşenleri elde edilir. 35 (3.15) ve (3.16) denklemlerinde yerine konulursa; elektrik alanın r yönündeki bileşeninin genliği; . (3.20) olarak elde edilir. Benzer biçimde elektrik alanın bileşeni aşağıdaki gibi elde edilir. . (3.21) Uzak alanlar için kr>>1 olduğundan uzak alan için elektrik alan şiddeti da anlamlıdır. Bu durumda, (3.22) olarak elde edilir. Manyetik alan değerini hesaplamak için eşitlik (3.2)’de değerini yerine yazarsak değerleri Ф den bağımsız olur. Manyetik alan ifadesinin bileşeni; (3.23) olarak elde edilir. Yine uzak alan için; (3.24) şeklinde olur. 36 (3.20) ve (3.22) denklemlerinden hareketle kullanılmasıyla (EK-2) Elektrik alan değerleri hesaplanmıştır. antenin özellik , ve bilgilerinin açılarla 37 4. UYGULAMA VE SONUÇLARI Bu bölümde 20 km, 30 km ve 40 km mesafeler referans alınarak açı değişkenlerine göre elektrik alan ve manyetik alan şiddetlerinin analizleri yapılmıştır. Elektrik alan şiddetleri aralıklar ile ’ye kadar hesaplanarak bir tablo oluşturulmuştur. Bu tablolar 20 km, 30 km ve 40 km mesafeler için ayrı ayrı hazırlanarak yorumlanmıştır. 4.1. Aralıklarla Elektrik Alan Analiz Sonuçları Bu bölümde 10 derece aralıklarla 90 dereceye kadar 9 farklı açıda elektrik alan şiddeti değerlerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Çizelge 4.1 20 km mesafede açılara bağlı olarak elektrik alan şiddetinin değeri Açı Derecesi Elektrik Alan Değeri (V/m) Elektrik Alan Değeri (dB) 10 0.015 -36.47 20 0.030 -30.45 30 0.044 -27.13 40 0.056 -25.03 50 0.067 -23.47 60 0.076 -22.3 70 0.082 -21.7 80 0.086 -21.3 90 0.088 -21.1 Çizelge 4.1’de 20 km mesafede 10’ar derece aralıklar ile elektrik alanın değerleri desibel ve V/m cinsinden verilmektedir. Şekil 4.2’de de görüldüğü gibi antenin elektrik alan değeri sinüzoidal şekilde artmaktadır. Çizelge 4.1 deki değerlerde bunu göstermektedir. 38 Çizelge 4.2 30 km mesafede açılara bağlı olarak elektrik alan şiddetinin değeri Açı Derecesi Elektrik Alan Değeri (V/m) Elektrik Alan Değeri (dB) 10 0.010 -40 20 0.020 -33.97 30 0.029 -30.75 40 0.037 -28.63 50 0.045 -26.93 60 0.051 -25.84 70 0.055 -25.19 80 0.058 -24.73 90 0.059 -24.58 Benzer biçimde, Çizelge 4.2’de 30 km mesafede 10’ar derece aralıklar ile elektrik alanın değerleri desibel ve V/m cinsinden verilmektedir. Buradan da açı değerleri 10 dereceden 90 dereceye doğru arttıkça elektrik alan değerlerinin sinüzoidal şekilde arttığı görülmektedir. Şekil 4.5’te antenin elektrik alan değeri sinüzoidal şekilde artmaktadır. Çizelge 4.3’te 40 km mesafede 10 derece aralıklar ile elektrik alanın değerleri desibel ve V/m cinsinden verilmektedir. 39 Çizelge 4.3 40 km mesafede açılara bağlı olarak elektrik alan şiddetinin değeri Açı Derecesi 10 Elektrik alan değeri (V/m) 0.007 Elektrik Alan Değeri (dB) -43.09 20 0.015 -36.47 30 0.022 -33.15 40 0.028 -31.05 50 0.033 -29.62 60 0.038 -28.40 70 0.041 -27.74 80 0.043 -27.33 90 0.044 -27.13 Çizelge 4.3’te yine benzer biçimde görülmektedir ki açı dereceleri 10 dereceden 90’a doğru arttıkça elektrik alanın da değeri artmaktadır. Burada elektrik alanın desibel cinsinden değerleri de logaritmik olarak artmaktadır. Çizelge 4.1, çizelge 4.2 ve çizelge 4.3’de hesaplanan değerler ile 4.2. bölümde yapılan simülasyon sonuçları karşılaştırılmak değerlendirmeleri yapılmıştır. Spesifik olarak suretiyle sonuç bölümünde seçilmiş ve bunun üzerinde yorumlar yapılmıştır. Spesifik olarak seçilen açı için çizelge 4.1, çizelge 4.2 ve çizelge 4.3’teki veriler kullanılarak, 20 km, 30 km ve 40 km de grafik şeklinde mesafelere göre elektrik alanın değerleri desibel ve Volt / metre cinsinden gösterilmiştir. 40 Çizelge 4.4 40 Derece açıda elektrik alanın dB olarak gösterimi Çizelge 4.4 rastgele seçilen bir açıda (40 derece olarak seçilmiştir), elektrik alanın desibel cinsinden mesafelere (20 km, 30 km ve 40 km mesafeler seçilmiştir) göre değişen değerleri verilmiştir. Çizelge 4.5 40 Derece açıda elektrik alanın (V/m) olarak gösterimi Çizelge 4.5’te 40 derece de seçilen antenin 20, 30 ve 40 km mesafelerde elektrik alanının V/m cinsinden değeri verilmiştir. 41 4.2. r=20 Km İçin Simülasyon Sonuçları 3.5 GHz frekansında çalışan WiMAX anteninde yapılan mesafe-açı analizlerinin sonuçlarını görülmektedir. Üçüncü bölümde elektrik alan değerleri açı ve mesafe değişkenlerine göre hesaplanmıştı. Bu bölümde ise MATLAB programında elektrik alan şiddetinin polar çizimi 3 boyutlu ve lineer çizimleri yaptırılmıştır. Şekil 4.1 20 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma örüntüsü Şekil 4.1’ de değişen açı değerlerine göre elektrik alan şiddetinin değerleri verilmiştir. Antenin özellikle 30, 60 ve 90 derece açılarda elektrik alan şiddetleri verilmiştir. Şekil 4.2 ise elektrik alanının açı değerlerine göre 2 (iki) boyutlu çizimini göstermektedir. Şekil 4.1 deki istenilen değerleri Şekil 4.2’de de görülmektedir. 42 Şekil 4.2 20 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alanının lineer çizimi Şekil 4.3 20 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu elektrik alan ışıma örüntüsü 43 4.3. r=30 Km İçin Simülasyon Sonuçları Şekil 4.4 30 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma örüntüsü Şekil 4.5 30 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alanının lineer çizimi 44 Şekil 4.6 30 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu elektrik alan ışıma örüntüsü Şekil 4.4 de 30 km mesafe için θ açısının değerine göre elektrik alanın değerlerini vermektedir. θ açısının değeri 90 dereceye doğru arttıkça elektrik alanın da değeri artmaktadır. Burada θ açısının değeri 90 derece olduğunda elektrik alanın değeri maksimum olmaktadır. Şekil 4.4, şekil 4.5 ve şekil 4.6 da Elektrik alan şiddetinin 0.06 V/m ye çok yakın bir değer olduğunu görüyoruz. Şekil 4.5’te lineer olarak elektrik alan şiddetinin π değeri ne göre çizimi görülmektedir. Burada π değeri 3,14 olarak alınmış olup açısal olarak 180 dereceyi ifade etmektedir. Şekil 4.6 ise elektrik alan şiddetinin polar koordinatlarda gösterimi görülmektedir. 45 4.4. r=40 Km İçin Simülasyon Sonuçları Şekil 4.7’de 40 km mesafe de elektrik alanın açıya göre değişimi alınarak 0-π arsında elektrik alan ışıma örüntüsünde gösterilmiştir. Burada ’de elektrik alan şiddetinin değeri 0,04 (V/m) ile 0,05 (V/m) arasında görülmektedir. açı değeri ile arasında bir değerde elektrik alan şiddetinin 0,04 (V/m) olduğu görülmektedir. Şekil 4.8 de yine 40 km için elektrik alanın linner olarak 0-π değerine bağlı açısal olarak değerleri gösterilmektedir. 4.3 Şeklinde ise 3 boyutlu elektrik alan ışıma örüntüsünde elektrik alan değerlerini göstermektedir. Şekil 4.7 40 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alan ışıma örüntüsü 46 Şekil 4.8 40 km’de yönlendirilmiş antenin elektrik alanının lineer çizimi Şekil 4.9 40 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu elektrik alan ışıma örüntüsü 47 4.5. Aralıklarla Manyetik Alan Analiz Sonuçları Bu bölümde 10 derece aralıklar ile 90 dereceye kadar 9 açının manyetik alan şiddetinin (A/m) ve desibel cinsinden değerleri hesaplanmıştır. Çizelge 4.6 20 km mesafede açılara bağlı olarak manyetik alan şiddetinin değeri Açı Derecesi Manyetik Alan Değeri (A/m) Manyetik Alan Değeri (dB) 10 (3,98).10-5 -88 20 (7,96).10-5 -81 30 (1,16).10-4 -78 40 (1,48).10-4 -76 50 (1,77).10-4 -75 60 (2,01).10-4 -73,9 70 (2,17).10-4 -73,2 80 (2,28).10-4 -72,8 90 (2,33).10-4 -72,6 Çizelge 4.6’da 20 km mesafe referans alınarak 10 derece – 90 derece arasında 10 derece aralıklar ile manyetik alanın değerleri verilmiştir. Çizelge 4.6’da verilen açıların değeri arttıkça manyetik alanın şiddetinin (A/m) olarak artarken, desibel cinsinden değerinin de negatif yönde azaldığını görülmektedir. Çizelge 4.7 30 km mesafede değişken açılarda manyetik alan şiddetinin değerini göstermektedir. Çizelge 4.7 de çizelge 4.6 ya benzer şekilde manyetik alan şiddetinin değerini desibel ve (A/m) cinsinden vermektedir. Burada da açı değerleri 90 dereceye doğru artıkça manyetik alan şiddetinin değeri artmaktadır. Desibel cinsinden değeri ise açıların 90 dereceye doğru artmasıyla negatif olarak azalma göstermektedir. 48 Çizelge 4.7 30 km mesafede açılara bağlı olarak manyetik alan şiddetinin değeri Açı Derecesi Manyetik Alan Değeri (A/m) Manyetik Alan Değeri (dB) 10 (2,65).10-5 -91,5 20 (5,30).10-5 -85,5 30 (7,69).10-5 -82,2 40 (9,81).10-5 -80,1 50 (1,19).10-4 -78,4 60 (1,35).10-4 -77,3 70 (1,45).10-4 -76,7 80 (1,53).10-4 -76,2 90 (1,56).10-4 -76,1 Çizelge 4.8 40 km mesafede açılara bağlı olarak manyetik alan şiddetinin değeri Açı Derecesi Manyetik Alan Değeri (A/m) Manyetik Alan Değeri (dB) 10 (1,85).10-5 -94,6 20 (3,97).10-5 -88,0 30 (5,83).10-5 -84,6 40 (7,42).10-5 -82,5 50 (8,75).10-5 -81,1 60 (1,00).10-4 -79,9 70 (1,08).10-4 -79,2 80 (1,14).10-4 -78,8 90 (1,16).10-4 -78,6 49 Çizelge 4.8 40 km mesafenin referans alınmasıyla manyetik alan şiddetinin açılara bağlı olarak değerleri verilmiştir. Minimum genliğin 10 derecede olduğu görülürken; maksimum genlik değerinin 90 derece de olduğu görülmektedir. Şekil 4.10 40 km’de yönlendirilmiş antenin manyetik alan ışıma örüntüsü Şekil 4.10’da 40 km mesafe referansında manyetik alan ışıma örüntüsü gösterilmiştir. Burada 0 derece de maksimum değerinin olması elektrik alan ile manyetik alanın arasındaki faz farkından kaynaklanmaktadır. Çizelge 4.6, çizelge 4.7 ve çizelge 4.8’de açısına göre manyetik alanın değerleri verilmiştir. Şekil 4.10, şekil 4.11 ve şekil 4.12 ise manyetik alanın Φ yönündeki bileşeni olan Φ çizdirilmiştir. Şekil 4.11’de 30 km mesafe referans alınarak yönlendirilmiş antenin ışıma örüntüsü verilmektedir. Şekil 4.12 ise 20 km mesafede antenin manyetik alanının ışıma örüntüsü verilmektedir. 50 Şekil 4.11 30 km’de yönlendirilmiş antenin manyetik alan ışıma örüntüsü Şekil 4.12 20 km’de yönlendirilmiş antenin manyetik alan ışıma örüntüsü 51 Şekil 4.13 40 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu manyetik alan ışıma örüntüsü Şekil 4.14 30 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu manyetik alan ışıma örüntüsü 52 Şekil 4.15 20 km’de yönlendirilmiş antenin üç boyutlu manyetik alan ışıma örüntüsü Şekil 4.13’de 40 km mesafe referans alınarak yönlü antenin manyetik alan şiddetinin üç boyutlu ışıma örüntüsü görülmektedir. Şekil 4.14’de ise benzer şekilde yönlendirilmiş antenin 30 km mesafede manyetik alan şiddetinin üç boyutlu ışıma örüntüsü görülmektedir. Şekil 4.15 20 km mesafede yönlendirilmiş antenin üç boyutlu ışıma örüntüsünü vermektedir. 53 5. SONUÇ Bu tez çalışmasında WiMAX teknolojisi araştırılmış olup; WiMAX sistemlerinde kullanılan anten çeşitleri incelenmiştir. İncelenen bu anten çeşitleri içinden hertz dipolü olan bir anten ele alınmıştır. Bu antenin özellikleri temel alınarak; 20 km, 30 km ve 40 km mesafelerde farklı açılar seçilerek elektrik alanının ve manyetik alanın hesaplanması yapılarak bu sonuçlar kıyaslanmıştır. MATLAB programı kullanılarak elektrik alan ve manyetik alan simülasyonları gösterilmiştir. Bu çalışma bir WiMAX anteninin elektrik ve manyetik alanlarının hangi açı derecesinde ve hangi mesafede en iyi sonuç verdiğini görmektir. Analiz sonuçları; ’den ’ye kadar elektrik alan şiddeti artmaktadır. ’den ’ye doğru gittikçe de azalmaktadır. 20 km mesafede alınan elektrik alan değerleri 30 km mesafede alınan değerlerden daha iyidir. 40 km mesafede alınan değerler ise en düşük değerlerdir. Spesifik olarak ’de mesafelere ilişkin sonuçların kıyaslaması yapılmıştır. 20 km, 30 km ve 40 km’lerde sonuçlar karşılaştırılmış ve maksimum değer 20 km’de bulunmuştur. Tablolardaki değerlerden de mesafe arttıkça elektrik ve manyetik alanların değerlerinin düştüğü ortaya çıkmıştır. Ancak antenin açı değerlerine göre alınan değerler farklılık göstermektedir. 20 km mesafede 30 derece açıda elektrik alanın değeri ile 40 km’de 90 derecede elektrik alanın değeri birbirine çok yakındır. Burada en iyi sonuç 20 km mesafede 90 derece de alınmış ve en zayıf sonuç ise 40 km mesafede 10 derece açıda görülmüştür. Sonuç olarak; WiMAX antenlerde özellikle spesifik olarak aldığımız hertz dipol antende yapılan analiz sonuçları gösteriyor ki elektrik alan değeri antenin yayım yaptığı mesafe arttıkça sinüzoidal açıya bağlı olarak da azalmaktadır. Anten elektrik alanından en iyi sonucu alabilmek için açı de yönlendirilmelidir. Manyetik alan ile elektrik alan arasındaki faz farkı da dikkate alındığında mesafe değerleri arttıkça manyetik alan şiddetinin değerinde de azalan sonuçlar ortaya çıkmıştır. 54 KAYNAKLAR 1. Ekmekçi E., “En Kuvvetli Televizyon Sinyalinin Algılanıp Antenin Konumlandırılması”, Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği, Isparta, 12, (2002) 2. Aşıcı A., “Wireless Broadband Solution”, TT WiMAX Trial Motorola, Turk Telekom A.Ş., (2010) 3. Hoşkan O., “WiMAX Teknolojisi ve Uygulama Alanları”, Alcatel-Lucent Teletaş, (2008) 4. Hasan, M. A.,”Performance Evaluation of WiMAX/IEEE 802.16 OFDM PhysicalLayer”, Yüksek Lisans Tezi, Helsinki University of Technology Department of Electrical and Communications Engineering Communications Laboratory, (2007) 5. Bilgi Teknolojileri Kurumu, “BTK Stratejik Plan 2010 2012”, BTK, http://www.tk.gov.tr, 24-48, (2009) 6. İnternet: CDMA Development Group “WiMAX Antennas” http://www.cdg.org/technology/cdma2000technologies.asp, (2002) 7. Intel White Paper, “Ultra Wideband (UWB) Technology”, Intel, http://www.intel.com/technology/comms/uwb/download/Ultra-wideband.pdf, (2007) 8. Harte L., Kikta R., Levine R., “3G Wireless Demystified”, Mc Graw Hill TELECOM, New York, 16, (2002) 9. Sürücü D., “Ns2-Evalvıd Ortamında Wimax ve Wi-Fi Teknolojilerinin Video Aktarım Performansının Karşılaştırılması” Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Zonguldak, 87- 88, (2008) 10. Küçükünsal J., “Metropol Alanlar için Kablosuz Erişim Uygulamaları ve Düzenleme Önerileri”,Uzmanlık Tezi, Bilgi Teknolojileri Kurumu, Ankara/TÜRKİYE, 4, (2006) 11. U. Navrasiwala, M. Schirmacher, N. Buris, M. Schamberger, “A Comparative Study of WiMAX Subscriber Equipment Antennas”, 3rd European Conference on Antennas and Propagation, Berlin , Almanya, (2009) 12. Cengiz A., Gündüz K., Ünverdi N.Ö., “WiMAX Teknolojisinde Performans Analizi”, Ulusal Kongre, ODTÜ , Ankara, 1-3, (2009) 55 13. Abelsson S., “Propagation Measurement at 3.5 GHz for WiMAX”, Yüksek Lisans Tezi, Master of Science in Electrical Engineering, Blekinge Institute of Technology, 4-10, (2007) 14. Motorola White Paper, “A Practical Guide to WiMAX Antennas: MIMO and Beamforming Technical Overview” Motorola, 1-7, (2007) 15. Yüksel M.E., Sevgen S., “Erişim Ağlarında WiMAX’in Optik Ağlarla Kullanımı”,Akademik Bilişim Kongresi, Muğla Üniversitesi / Muğla, 1-2 (2010) 16. Tomasi, W., “Elektronik İletişim Teknikleri 3. Baskı”, Mustafa Atakay, İhsan Gök, Milli Eğitim Basımevi, İstanbul, 450 – 477, (2002) 17. Temel E., “Radyo, TV ve Mobil Haberleşme Ortak Anten Sistem ve Tesislerinin Kurulması ve Düzenleme Esasları”, Uzmanlık Tezi, Bilgi Teknolojileri Kurumu, Ankara, (2007) 18. Kraus J.D., “Antennas 2nd ed”, Mc Graw Hill, Singapore, 19-45, (1988) 19. Terman F., E., “Electronic and Radio Engineering 4th ed ”, Mc Graw Hill, Tokyo, 864, (1955) 20. Drabowitch S., Papiernik A., Griffiths H. D., Encinas J., Smith B.L.,“ Modern Antennas 2nd ed”, Springer, Netherlands, 67-69, (2005) 21. Balanis C.A., “Antenna Theory Analysis and Design”, John Wiley & Son, Singapore, 48, (1982) 22. Fluke Networks White Paper, “Locating Rogue Wireless Access Points”, Fluke Networks, 2-6, (2007) 23. İnternet: 4G Wireless Broadband Solution “WiMAX http://www.wimax.com/wimax-tutorial/wimax-antennas (2005) Antennas” 24. Alex, S.P.; Jalloul, L.M.A.; "Performance Evaluation of MIMO in IEEE 802.16e/ WiMAX", IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2(2): 181190, (2008) 25. Edminister J., “Elektromanyetik 2. Baskı”, Dr. Erkan Afacan, Dr. M.Timur Aydemir, Dr. Cem Nakipoğlu, Mc Graw Hill, Ankara, 293 – 298, (2000) 56 EKLER 57 EK-1. Yönlülük (Directivity) Formülün Çıkarılışı 58 EK-2. Simülasyonda Kullanılan Anten Özellikleri ve Bilgiler WiMAX Uygulamaları için 3.5 GHz Sektör Anten, 60° MA-WC36-5X1 Uygulamaları: - WiMAX – lisanslı band Uygulamaları - Point-to-Multi Point Uygulamaları - WLL Uygulamaları Antenin Elektriksel Özellikleri Frekans aralığı VSWR, max. 3 dBBeam-Width, H-Plane, typ. 3 dBBeam-Width, E-Plane, typ. Side Lobes, min. Polarization Cross Polarization, min. Front toBackRatio, min. Giriş gücü, max Giriş empedansı Boyutları (HxWxD) Ağırlığı Konnektör BackPlane Radome Mount 3.3 - 3.9 GHz 1.7:1 60 ° 6° -13 dB LinearVertical -20 dB -25 dB 50 Watt 50 Ohm Mekanik Özellikleri 805x 115 x 49 mm (31.7" x4.5" x 1.9") 1.1 kg N-Type, Female Aluminum; protectedthroughchemicalpassivation UV Protected, Plastic MNT-5A 59 EK-2.(Devam) Simülasyonda Kullanılan Anten Özellikleri ve Bilgiler Çevresel Özellikler Sıcaklık aralığı Titreşim Rüzgar yükü Nem Buz ve kar Servis Süresi -40° C to +65° C Accordingto IEC 60721-3-4 200 km/h (survival) ETS 300 019-1-4, EN 302 085 (annex. A.1.1) 25 mm radial (survival) > 10 yıl Standart ETSI EN 302 085 V1.2.3 – CS1 60 EK-3. Simülasyonda Kullanılan Program Yazılımı clearall;closeall;clc; dbstopiferror; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:2*pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=2*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r*eps*c); % expandingthetatospanentirespace for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expandingphitospanentirespace for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding E tospanentirespace for k=1:length(phi) E3(k,:)=E; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(E3)); figure; mesh(x,y,z); figure; polar(theta,abs(E),'-k'); % colormap(copper); ---------------------------------------------------------------------------------------- clearall;closeall;clc; dbstopiferror; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:2*pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=3*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r*eps*c); 61 EK-3.(Devam) Simülasyonda Kullanılan Program Yazılımı % expandingthetatospanentirespace for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expandingphitospanentirespace for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding E tospanentirespace for k=1:length(phi) E3(k,:)=E; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(E3)); figure; mesh(x,y,z); figure; polar(theta,abs(E),'-k'); % colormap(copper); -------------------------------------------------------clearall;closeall;clc; dbstopiferror; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:2*pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=4*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r*eps*c); % expandingthetatospanentirespace for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expandingphitospanentirespace for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding E tospanentirespace for k=1:length(phi) E3(k,:)=E; 62 EK-3.(Devam) Simülasyonda Kullanılan Program Yazılımı end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(E3)); figure; mesh(x,y,z); figure; polar(theta,abs(E),'-k'); % colormap(copper); -------------------------------------------clearall;closeall;clc; dbstopiferror; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:2*pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=2*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r*eps*c); % expandingthetatospanentirespace for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expandingphitospanentirespace for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding E tospanentirespace for k=1:length(phi) E3(k,:)=E; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(E3)); figure; mesh(x,y,z); figure; plot(theta,abs(E),'-k'); % colormap(copper); ------------------------------------------------------------------------------clearall;closeall;clc; dbstopiferror; theta=0:.01:pi; 63 EK-3.(Devam) Simülasyonda Kullanılan Program Yazılımı phi=0:.01:2*pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=3*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r*eps*c); % expandingthetatospanentirespace for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expandingphitospanentirespace for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding E tospanentirespace for k=1:length(phi) E3(k,:)=E; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(E3)); figure; mesh(x,y,z); figure; plot(theta,abs(E),'-k'); % colormap(copper); ----------------------------------------------------------------------------------------clearall;closeall;clc; dbstopiferror; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:2*pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=4*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r*eps*c); % expandingthetatospanentirespace for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expandingphitospanentirespace 64 EK-3.(Devam) Simülasyonda Kullanılan Program Yazılımı for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding E tospanentirespace for k=1:length(phi) E3(k,:)=E; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(E3)); figure; mesh(x,y,z); figure; plot(theta,abs(E),'-k'); % colormap(copper); ----------------------------------------------------------------------------------------------------clear all;close all;clc; dbstop if error; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=4*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); % expanding theta to span entire space for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expanding phi to span entire space for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding H to span entire space for k=1:length(phi) H3(k,:)=H; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(H3)); figure; mesh(x,y,z); figure; 65 EK-3.(Devam) Simülasyonda Kullanılan Program Yazılımı polar(theta,abs(H),'-k'); % colormap(copper); ----------------------------------------------------------------------------------------------------clear all;close all;clc; dbstop if error; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=3*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); % expanding theta to span entire space for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expanding phi to span entire space for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding H to span entire space for k=1:length(phi) H3(k,:)=H; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(H3)); figure; mesh(x,y,z); figure; polar(theta,abs(H),'-k'); % colormap(copper); -----------------------------------------------------------------------------------------------------clear all;close all;clc; dbstop if error; theta=0:.01:pi; phi=0:.01:pi; L=0.805;Io=1;w=3.5*1e9; r=2*1e4;c=3*1e8;xx=120*pi; eps=8.85*1e-12; b=70*pi/3; 66 EK-3.(Devam) Simülasyonda Kullanılan Program Yazılımı E=j*L*Io*b*xx*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); H=j*L*Io*b*exp(j*w*(-r/c))*sin(theta)/(4*pi*r); % expanding theta to span entire space for n=1:length(phi) theta3(n,:)=theta(1,:); end % expanding phi to span entire space for m=1:length(theta) phi3(:,m)=phi'; end % expanding H to span entire space for k=1:length(phi) H3(k,:)=H; end [x,y,z]=sph2cart(phi3,theta3,abs(H3)); figure; mesh(x,y,z); figure; polar(theta,abs(H),'-k'); % colormap(copper); 67 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : ÇİÇEK AKÇAY, Serap Uyruğu : T.C. e-mail : [email protected] Eğitim Derece Eğitim Birimi Lisans Süleyman Demirel Üniversitesi Lise Mezuniyet Tarihi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü 2005 Sivas Fen Lisesi 1999 İş Deneyimi Yıl Yer Görev 2008-2010 Türk Telekomünikasyon A.Ş. Santral Sistem Mühendisi Yabancı Dil İngilizce Yayınlar 1. Kara S., Çiçek Akçay S., “Avrupa’da Biyomedikal Mühendisliği Eğitiminde Gelişme Süreci Ve Sanayinin Mühendislik Eğitimine Etkileri”, Elektrik Elektronik Bilgisayar Biyomedikal Mühendisliği XII. Ulusal Kongresi Ve Fuarı, Eskişehir, 14-18 Kasım 2007
