5G uyumlu 6GHz altı IoT uygulamaları için düzlemsel güç bölücü tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında; geleneksel Wilkinson güç bölücü devrelerinin boyutlarını küçültmek amacıyla; çeyrek dalga boyu iletim hatları yerine bu hatlar üzerinde dar yarıklar açılması veya menderes biçimi kazandırılması suretiyle oluşturulan indüktif yüklü yavaş dalgalı iletim hatları kullanılarak 2, 4 ve 8 yollu Wilkinson güç bölücüler tasarlanmıştır. Ayrıca, giriş/çıkış kapılarının ve menderes biçimli iletim hatlarının farklı konfigürasyonlarda yerleştirilmesiyle elde edilen farklı güç bölme oranlarına sahip yeni Wilkinson güç bölücü konfigürasyonları da tasarlanmıştır. Öncelikle 1/2, 1/4 ve 1/4 güç oranına sahip aynı katman üzerinde özdeş iki adet 3 yollu Wilkinson güç bölücüler geliştirilmiş ve daha sonra çok katmalı uygulama olarak ayrı katmanlar üzerine yerleştirilmiş iletim hatlarının kullanılmasıyla yine aynı güç oranına sahip özdeş iki adet 3 yollu güç bölücü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çift yüzlü taban malzemesi üzerinde gerçekleştirilen iki katmanlı uygulamalar, farklı katmanlarda birbirinden bağımsız giriş ve çıkış kapılarına sahip ortak toprak düzlemli güç bölücüler iki farklı devre olarak oldukça kompakt boyuta sahip olduklarından yaklaşık 1/2 oranında bir minyatürizasyon elde edilmiştir. Bir sonraki tasarım adımında bir başka çok katmanlı uygulama örneği olarak bir katmanda 1/2 ve 1/4 diğer katmanda ise 1/8, 1/16 ve 1/16 güç oranlarına sahip olan bir adet 5 yollu Wilkinson güç bölücü tasarlanmıştır. Önerilen yeni tip Wilkinson güç bölücüler, hem farklı giriş/çıkış güç oranlarına hem de farklı kapı düzenlemelerine ihtiyaç duyan anten dizilerinde hem beslemelerde hem de arzu edilen bir frekans bandında filtreleme işlevinde kullanılabilme potansiyeline sahiptir. Güç bölücü tasarımlarıyla ilgili yapılan çalışmalarda; öncelikle çalışma frekans bandı belirlenmiş ve ikinci olarak gerekli minyatürizasyon ve empedans değerleri yavaş-dalga etkisiyle ilişkilendirilerek teorik olarak hesaplanmıştır. Üçüncü aşamada, Tam-Dalga Elektromanyetik Simülatör ile en iyi performansa sahip güç bölücüler tespit edilip son aşamada deneysel çalışmalar kapsamında devreler imal edilerek performans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen tüm devreler yaklaşık 2 GHz merkez frekansına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Teorik, ölçüm ve simülasyon sonuçlarında oldukça iyi bir uyum sağlanmıştır. Deneysel çalışmalarda, araya girme ve yansıma kayıpları, giriş ve çıkışlar kapıları arasındaki izolasyon ile çıkış kapılarının arasındaki genlik farkı performansları ölçülmüştür. Sonuç olarak tasarlanan Wilkinson güç bölücülerin 5G standartlarına uygun bir şekilde 6 GHz altındaki IoT uygulamalarında kullanılabileceği gözlenmiştir.

In this thesis, in order to reduce the size of conventional Wilkinson power divider circuits, 2-, 4- and 8-way Wilkinson power dividers are designed by using transmission lines having the effects of slow-wave obtained from the inductively loaded by using narrow slits or meandered lines instead of on their quarter-wavelength transmission lines. In addition, novel Wilkinson power dividers are also designed to obtain the different power dividing between the input/output ports, which are constructed by using the proposed quarter-wavelength meandered transmission lines in different configurations. Firstly, two identical 3-way Wilkinson power dividers with 1/2, 1/4 and 1/4 power ratios are developed on the single substrate and then two identical 3-way power dividers having these power ratios are designed by located the quarter-wavelength meandered transmission lines on the different layers as multi-layer applications with the double substrates having the common ground plane. In the two-layer applications constructed on a double substrate, because the power dividers with the independently input/output ports have a very compact size as two different circuits located on different layers, a miniaturization having approximately 1/2 ratio is achieved. These the power dividers use the common ground plane. In the next step, a 5-way Wilkinson power divider having power ratios of 1/2 and 1/4 on one layer and 1/8, 1/16 and 1/16 on the other layer is designed as another example of multilayer application. The proposed Wilkinson power dividers have the potential to be used in only antenna arrays requiring different input/output power ratios and different port arrangements and but also both in the feeding of multiport devices and the filtering of desired frequency bands. In studies on the power divider designs; firstly, the operation frequency band is determined and secondly the required miniaturization and impedance values with relation to the slow-wave effect are theoretically calculated. Thirdly, Wilkinson power dividers having the best performance are determined by means of the Full-Wave Electromagnetic Simulator and finally selected dividers are manufactured and measured for the experimental studies. All manufactured dividers are designed to have a center frequency of approximately 2 GHz. The theoretical, measurement and simulation results are in good agreement. In experimental studies, the insertion and the reflection losses, isolation between the input/output ports and the amplitude differences between output ports are performed. Finally, the proposed Wilkinson power dividers can easily be used in IoT applications below 6 GHz in 5G standards.