Mikroşerit Antenler ve Devreler

Ticari ve askeri uygulamalarda mikroşerit antenlerin araştırma ve geliştirmeleri için oldukça aktif çalışmalar yapılmaktadır. Düşük maliyet, hafiflik, küçük boyutlar ve hacim ile toplu imalatın kolaylığı, çoğu zaman bu antenlerin tercih edilmesine neden olmaktadır. Mikroşerit antenler ve devreler, mobil uydu iletişimi, direkt yayın sistemi (DBS), küresel konumlandırma sistemi (GPS), biyomedikal, uçak, füze, radar gibi askeri uygulamalarda kullanılmaktadır.

1.5GHz’de 2×2 mikro şerit yama anten dizisi üzerindeki akımlar

Teorik Formülasyon

HyperWorks simülasyon paketinde yer alan yüksek frekans elektromanyetik simülasyon yazılımı FEKO, metalik yüzeylerdeki akımları modellemek için tam dalga formülasyonları kullanmaktadır. Coupling, yakın alan, uzak alan, ışıma diyagramı, akım dağılımları, empedanslar, S-parametreleri ve daha birçok hesaplamalarda doğru simülasyonlar yapılmasına olanak sağlamaktadır. Moment Yöntemi (MoM) ve sonlu elemanlar yönteminin (FEM) hibrit olarak kullanılması dielektrik yapılar için idealdir, sonuçları doğrulamak için farklı formülasyonlar da kullanılabilir.

Örneğin:
– Bir tabaka, iki boyutta sonsuz olduğu düşünülen düzlemsel katmanlı Green fonksiyonu ile düşük hesaplama maliyetiyle simüle edilebilir.
– Yüzey eşdeğerlik ilkesi (SEP) veya hacim eşdeğerlik ilkesi (VEP) sonlu tabaka etkilerini doğru bir şekilde modeller.
– FEM / MoM hibrit yöntemi, büyük sonlu dizileri ve karmaşık besleme yapılarını etkili bir şekilde simüle eder.
– Periyodik sınır koşulları (PBC), sınırsız büyük dizi antenin çözümünü hesaplar ve büyük sonlu dizi antenler için performansı tahmin eder.
– Metalik elemanların büyük sonlu dizilerini etkili bir şekilde simüle eder.

Düzlemsel katmanlı Green fonksiyonu (GF) ve FEM / MoM ile hesaplanan 4×4 bir mikro şerit yama antenin kazancı

Mikroşerit Antenler

Düzlemsel mikroşerit antenler çeşitli konfigürasyonlarda kullanılabilir. Örneğin:
– Prob besleme, mikro şerit besleme veya yakınlık bağlantılı besleme ile tek elemanlı antenler

– Dizileri tek bir kaynaktan beslemek için karmaşık besleme ağlarına sahip dizi antenleri
– Her beslemenin voltajını ve fazını kontrol etmek için elemanların ayrı ayrı beslendiği dizi antenleri modellenebilmektedir.

8×8 kare halka mikro şerit anten dizisi için 3D uzak alan kazancının PBC hesaplaması

Mikroşerit antenlerin simülasyonu için düzlemsel katmanlı Green fonksiyon metodu, rastgele kalınlıkta ve çeşitli dielektrik malzemelerden oluşabilen son derece büyük tabakalar içeren etkili bir araçtır. Bu metotta dielektrik tabakaların analitik olarak etkisi çözülmektedir. Bu nedenle, yalnızca metalik elemanlar meshlenmektedir. Bu, az hesaplama gerektiren etkili bir çözüm yöntemiyle sonuçlanır.

Düzlemsel katmanlı Green fonksiyon yaklaşımı, mükemmel simülasyon performansı sağlar ve sonlu tabaka etkilerinin gözardı edilebileceği durumlar için sonuçlar verir. Sonlu tabakanın etkileri önemli ise SEP simülasyon yöntemi kullanılmalıdır. SEP, sınırlardaki eşdeğer akımları doğru bir şekilde modelleyerek düzlemsel bir yapıda dielektrik sınırlarını ayırır. Bu akım tabanlı çözüm, sonlu tabakanın elektriksel etkilerini açıklar. Bu etkilerin sonucunda, giriş empedansı, yakın alan, uzak alan ve daha birçok sonuç elde edilebilir.

Düzlemsel katmanlı Green fonksiyonuyla simüle edilmiş üç bölmeli halka rezönatör mikro şerit anteni

Büyük nesneleri simüle ederken, mevcut kaynakların beslenmesi hem düzlemsel katmanlı Green fonksiyonunda hem de SEP yöntemlerinde MoM sonuçlarındaki kaynak gereksinimleri için bir ölçeklendirmedir. Bu yapılar, büyük sonlu anten dizileri için MoM yöntemlerinden daha etkili olan FEM / MoM hibrid yöntemiyle çözülebilir.

Oldukça büyük düzlemsel antenlerin veya periyodik geometrili yansıtıcı yüzeylerin simülasyonu, özel PBC yöntemini gerektirir. PBC yöntemi, tek bir dizi elemanını (birim hücre) sanki bir sonsuz dizinin parçası gibi simüle eder. Karşılıklı kuplaj, eleman çok daha büyük bir dizinin merkezindeymiş gibi düşünülür. Bütün elemanlar, elemanlar arası bir faz kayması ile beslenir. Daha sonra, sonlu bir dizi için alan değerleri (örneğin; 32 x 32 elemanlar) PBC birim hücrenin yüzey akımlarını tüm hücrelere tekrar tekrar entegre ederek hesaplanabilir. Büyük sonlu diziler için, alan hesaplamaları üzerindeki en büyük etki, merkez unsurlarının katkısından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak kenar elemanlarının etkisi büyük oranda göz ardı edilebilir.

Büyük sonlu dizileri de sonlu dizi çözücüsü ile çözülebilir. Green fonksiyon yöntemi alanına (DGFM) dayanarak, dizinin tek bir öğesini çözmek için MoM kullanır. Bu yöntem her bir elemanı ayrı ayrı beslerken, dizinin tüm elemanları için çözümün birleştirilmesini sağlar. Büyük ve sonlu diziler için diğer çözüm yöntemlerine kıyasla hesaplamalarda büyük tasarruf sağlar.

Mikrodalga Devreleri

Düzlemsel katmanlı Green fonksiyon ve SEP çözüm yöntemlerinin ikisi de basılı mikrodalga devrelerin analizine çok uygundur. Düzlemsel katmanlı Green fonksiyonu, modelde sonsuz tabakaların kabul edilebilir olduğu durumlarda en uygun çözüm metodudur. SEP, sonlu tabaka etkilerinin de hesaba katılması istenildiğinde ideal bir çözümdür. Her iki yöntem de faz dengelemesi olan integral denklemleri kullanır ve faz hesaplamaları için doğru sonuçlar verir.

Split-ring rezönatör (SRR) filterler[1], FEKO’nun son teknoloji mikro şerit tasarımlarına nasıl uygulanabileceğine dair tipik bir örnektir. Bu tür filtreler, küçük imalat toleranslarına son derece duyarlıdır ve üretim için farklılıklar göstermektedir. Simüle edilmiş ve ölçülen sonuçları karşılaştıran aşağıdaki grafik, FEKO’nun düzlemsel katmanlı Green fonksiyon yönteminin doğru sonuçlar verdiğini göstermektedir. Bu yöntem elektromanyetik olarak bağlanmış mikro şerit tasarımlarını değerlendirmek için ideal bir araçtır. Düzlemsel katmanlı Green fonksiyon yöntemini kullanmak, ölçüm için maliyetli prototipler üretmeden önce prototip yinelemelerinin sayısını azaltabilir.

2GHz’de Triple Split-Ring Rezönatör üzerindeki akımlar

Split-ring rezonatör mikroşerit filtresi için S11 ve S21 ölçüm ve simülasyon karşılaştırılması

Referanslar

[1] R.H. Geschke, B. Jokanovic, P. Meyer, “Compact Triple-Band Resonators Using Multiple Split-Ring Resonators,” Proceedings of the European Microwave Week 2009, Sept. 2009, Rome, Italy.

Bir cevap yazın