Mikroşerit Anten Uygulamaları İçin Frekans-Ayarlamalı SRR Altyapısı

Mikroşerit Anten Uygulamaları İçin
Frekans-Ayarlamalı SRR Altyapısı
Adnan Sondaş, Mustafa H.B. Uçar ve Yunus E. Erdemli
Kocaeli Üniversitesi
Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü
asondas@kocaeli.edu.tr, mhbucar@kocaeli.edu.tr, yunusee@kocaeli.edu.tr
Özet: Bildiride, yarık-halka rezonatör (SRR) elemanlarını temel alan alttaş üzerine yerleştirilmiş mikroşerit yama
anten tasarımı incelenmektedir. Önerilen SRR alttaş yapısı, anten elemanının minyatürleştirmesine katkıda
bulunmakla birlikte, ilgili halka elemanları arasına yerleştirilen yüklemeler ile de frekans-ayarlamalı performans
sergilemektedir. Bildiride, SRR altyapılı mikroşerit anten tasarımının sayısal analiz sonuçları sunulmaktadır.
1. Giriş
Elektronik olarak anahtarlanabilen anten yapıları, kapladıkları küçük alanlar ve sahip olabilecekleri
çok-fonksiyonluluk özelliğinden dolayı, son yıllarda haberleşme uygulamalarında tercih edilmeye başlanmışlardır
[1, 2]. Bu uygulamalarda çoğunlukla anten elemanının kendisi anahtarlanırken [3], alternatif olarak antenin alttaşı
da anahtarlanabilir. Bu çalışmada, pratik uygulamada anahtarlamaya olanak sağlayacak, yarık-halka rezonatör
(split-ring resonator; SRR) elemanlarını temel alan, mikroşerit anten elemanları için yeni bir SRR alttaş yapısı
önerilmektedir.
SRR dizileri, altyapı olarak mikroşerit anten uygulamalarında, minyatürleştirme [4–6] sağlamak amacıyla
kullanılmışlardır. Ayrıca SRR yapıları, farklı filtre uygulamalarında [7–9] kullanılmış ve bu tasarımlarda SRR
halkaları arasına yerleştirilen yüklemeler ile frekans-ayarlamalı performans elde edilmiştir. Bu çalışmada,
mikroşerit anten dizileri için yüklemeli bir SRR altyapısı önerilmektedir. Önerilen SRR altyapısı,
minyatürleştirme, bant-genişliğini artırma ve çoklu-frekans anten uygulamasına olanak sağlamaktadır. Bildiride,
zamanda sonlu farklar yöntemini temel alan CST Microwave Studio simülatörü aracılığıyla gerçekleştirilmiş
tasarımların analiz sonuçlarına yer verilmektedir.
2. Mikroşerit Yama Anten/SRR Alttaş Tasarımı
Şekil 1’de görülen SRR altyapılı mikroşerit yama anten (MYA) tasarımı, yama anten elemanı ile toprak düzlemi
arasına dikine yerleştirilmiş sekiz adet SRR plakasından ve her bir SRR plakası da ince bir dielektrik tabaka
üzerine yerleştirilmiş beş adet SRR elemanından meydana gelmektedir. Her bir SRR elemanı ise iç-içe geçmiş iki
adet karesel yarık halka ve halkalar arasına uygun konumlara yerleştirilen metalik yüklemelerden (y1, y2, y3)
oluşmaktadır (Şekil 2).
εε r
h 2
L 1
L 2
s
d x
d
y
Şekil 1. Önerilen MYA/SRR konfigürasyonu:
L1=21, L2=5, h1=0.5, h2=4.5, s=3, d=1(hepsi mm), εr=2.2.
L 1
Koaksiyel
Besleme
L 2
h 1
z
w
y 2
g
y 1
y 3
g
y 1
S 1
y 3
y 2
S 2
Şekil 2. Önerilen yüklemeli SRR yapısı:
S1=3.5, S2=2.5, w=g=0.25 (hepsi mm).
Analizlerde, mikroşerit anten ve SRR elemanları 0.05 mm kalınlığında bakır malzemesi (σ =5.8×10 7 S/m) olarak
modellenmiş ve dielektrik malzeme olarak Rogers RT/duroid 5880 (εr=2.2) kullanılmıştır.

Önerilen MYA/SRR tasarımına ait geri-dönüş kaybı (S11) karakteristikleri Şekil 3’te verilmiştir. Görüldüğü üzere,
SRR altyapısı eklenmesiyle, rezonans frekansı 5.95 GHz’ten 4.4 GHz’e kaymakta, böylece 1.35 miktarınca
minyatürleşme sağlanmaktadır. 4.4 GHz bandındaki S11 bant-genişliği (50Ω sistem empedansı ve |S11|

Tablo I. Önerilen MYA/SRR tasarımının kazanç performansı.
Kazanç
D0 (dBi)
SRR’sız
5.95 GHz
SRR’lı
4.4 GHz
MYA/SRR Tasarımları
SRR + y 1
4.65 GHz
SRR + y 2
4.85 GHz
SRR + y 3
5.0 GHz
8.99 7.88 8.03 8.09 8.14
3. MYA/SRR Dizisi
Tek bir MYA elemanı altına yerleştirilmiş SRR altyapısının performansı göz önüne alınarak, benzer bir altyapının
sonlu MYA dizilerinin performansına etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda, ilk aşamada 2×2’lik bir anten dizisi
tasarlanmıştır. Çift-frekans ve çift-polarizasyon özelliğine sahip bu tasarımın konfigürasyonu Şekil 5’de ve ilgili
S11 karakteristiği Şekil 6’da verilmiştir. Görüldüğü üzere, 2×2’lik dizi, sırasıyla 5.5 GHz ve 3.3 GHz bantlarında
performans gösteren, daha küçük boyutlu 1×2 MYA alt-dizisi (3 ve 4 nolu yamalar) ve SRR altyapılı (dörder adet
SRR plakası) 2×1 MYA alt-dizisinden (1 ve 2 nolu yamalar) oluşmaktadır. İlgili frekanslardaki ışıma diyagramları
Şekil 7’de verilmiş olup, kazanç değerleri 11 dBi seviyelerindedir. İlgili çalışma frekanslarında, besleme
konumlarına bağlı olarak, 1×2 MYA alt-dizisi y-doğrultusunda, 2×1 MYA/SRR alt-dizisi ise x-doğrultusunda
lineer polarizasyon sergilemekte, böylece çift-frekanslı ve çift-polarizasyonlu performans elde edilebilmektedir.
Bu alt-diziler asenkron beslenmekte olup, eşzamanlı beslenmeleri durumunda ise mevcut performanslarında
olumsuz bir değişim gözlenmemiştir.
z
y
x
r
L 1
1
L 2
W
L 1
3
d
4 L
d
Şekil 5. 2×2 MYA/SRR dizi konfigürasyonu; perspektif görünüş (sol), üstten görünüş (sağ). L=111, W=62, L1=21,
L2=32, W2=30, d=10, r=15 (hepsi mm). Diğer fiziksel boyutları Şekil 1 ve Şekil 2’dekiler ile aynıdır.
S-parametresi (dB)
0
-5
-10
-15
S 11
S 22
S 33
S 44
-20
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
Frekans (GHz)
Şekil 6. Çift-frekanslı MYA/SRR dizisinin geri-dönüş
kaybı karakteristiği.
f=3.3 GHz
D 0 =11.5 dBi
2
W 2
f=5.5 GHz
D 0 =10.9 dBi
Şekil 7. Çift-polarizasyonlu MYA/SRR dizisinin çalışma
frekanslarındaki ışıma örüntüleri.

4. Sonuçlar
Bildiride, mikroşerit yama anten uygulamaları için yeni bir SRR altyapısı tanıtılmıştır. Önerilen yüklemeli SRR
altyapısının, minyatürleştirme, bant-genişliğini artırma ve çoklu-frekans anten uygulamasına olanak sağladığı
gözlenmiştir. Bildiride, önerilen MYA/SRR tasarımlarının, CST Microwave Studio benzetim programı
kullanılarak elde edilen sayısal analiz sonuçları sunulmuştur. Pratik uygulamada, önerilen metalik yüklemeler
yerine, düşük kayıplı ve yüzey-uyumlu aç/kapa anahtarların kullanımıyla dinamik olarak frekans ayarlaması
yapılabileceği düşünülmektedir.
Teşekkür
Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu tarafından desteklenmektedir (Proje No: 107E198).
Kaynaklar
[1]. Fan Y. ve Rahmat-Samii Y., “A reconfigurable patch antenna using switchable slots for circular polarization
diversity,” Microwave Wireless Comp. Lett., 12, s. 96-98, 2002.
[2]. Erdemli Y. E., Gilbert R. A., ve Volakis J. L., “A reconfigurable slot aperture design over a broad-band
substrate/feed structure,” IEEE Trans. Antennas Propag., 52, s. 2860-2870, 2004.
[3]. Erdemli Y. E., Sertel K., Gilbert R. A., Wright D. E., ve Volakis J. L., “Frequency-selective surfaces to
enhance performance of broad-band reconfigurable arrays,” IEEE Trans. Antennas Propag., 50, s. 1716-1724,
2002.
[4]. Karkkainen M. K., Ermutlu M., Maslovski S., Ikonen P., ve Tretyakov S., “Numerical simulations of patch
antennas with stacked split-ring resonators as artificial magnetic substrates,” IEEE Int. Workshop on Antenna
Tech., s. 395-398, 2005.
[5]. Ermutlu M., Simovski C. R., Karkkainen M. K., Ikonen P., Tretyakov S. A., ve Sochava A. A.,
“Miniaturization of patch antennas with new artificial magnetic layers,” IEEE Int. Workshop on Antenna Tech.,
s. 87-90, 2005.
[6]. Wu M. F., Meng F. Y., Wu Q., Wu J., ve Li L. W., “Miniaturization of a patch antenna with dispersive double
negative medium substrates,” Proc. APMC, 1(4), pp., 4-7 Dec. 2005
[7]. Erdemli Y. E. ve Sondas A., “Dual-polarized frequency-tunable composite left-handed slab,”
J. Electromagnetic Waves and App., 19(14), s. 1907-1918, 2005.
[8]. Cenk C., Sondas A., ve Erdemli Y. E., “Tunable split ring resonator microstrip filter design,” Proc.
Mediterranean Microwave Symposium, Eylül 2006, Genova, Italya, s. 20-23.
[9]. Ucar M. H. B., Sondas A., ve Erdemli Y. E., “Switchable split-ring frequency selective surfaces,” PIERB, 6, s.
65-79, 2008.