Yansıtıcı-dizi anten kavramı kullanarak 2.4 GHZ için akıllı yansıtıcı yüzey tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında yansıtıcı yüzey tasarım kavramlarnın kullanıldığı akıllı yansıtıcı yüzey tasarımı ve sonuçları sunulmaktadır. Yansıtıcı yüzeyler, alıcı ve verici arasındaki doğru görüşün engellendiği durumlarda iletişimin kalitesini iyileştirecek bir teknoloji olarak görülmektedir. Yansıtıcı yüzeyler çok sayıda küçük yansıtıcı elemanın yüzeye dizilmesi ile oluşan iki boyutlu düzlemsel yapılardır. Bu yüzeyler, yüzeydeki her bir elemanın yansıtma fazı ayrı ayrı denetlenerek gelen dalgayı istenen yöne yüksek kazançlı kalem ışın olarak yansıtılabilir. Bu özellik sayesinde, sinyalin ciddi ölçüde zayıfladığı bölgelere ulaşarak, kablosuz iletişim kanalı iyileştirilebilir. Bu çalışmada yansıtma faz ayarı için değişken eleman boyutu ve elektronik denetim yaklaşımları kullanıldı; denetlenebilir faz değişim aralığı 310° 'den büyük olan yansıtıcı elemanlar yüzey tasarımında kullanıldı. Tasarım ve analizler için CST MicroWave Studio (CST MWS) yazılımı, yüzey üzerinde eleman konumlarına göre gerekli yansıma fazlarını hesaplamak için MatLab, ve simülasyonlarda kaynak anten olarak kullanılan boynuz antenin tasarımında Antenna Magus kullanıldı. İlk önce, 10 GHz'de gelen dalgayı düşeyde 30° yönünde yüksek kazanç ile yansıtan değişken yansıtıcı eleman boyutlarının kullanıldığı iki yansıtıcı yüzey tasarlandı. Yüzeylerden biri 3-katmanlı çokgen yama, diğeri bir katmanlı kare çevrim biçimli yansıtıcı elemanlardan oluşmaktadır. Üç-katmanlı yüzey ile 23.8 dBi kazanç ve yaklaşık %22 (8.9–11.1 GHz) bant genişliği; tek katmanlı yüzey ile 26.5 dBi kazanç ve %12 (9.5 – 10.7 GHz) bant genişliği elde edildi. Daha sonra 2.4 GHz için elektronik olarak yeniden yapılandırılabilir 11×11'lik (121 elemanlı) bir yansıtıcı yüzey tasarlandı. Yüzey elemanlarının yansıtma fazlarını ayarlamak için öngerilim devresi ile denetlenen varaktörler kullanıldı. Öngerilim denetim devresi bir mikrodenetleyici, iki 64-kanallı çoklayıcı ve bir DC yükselteç içermektedir. Benzetim sonuçlarına göre yansıtılan ışın için tepe kazanç değeri 20.54 dBi'dir ve ışın yönü ±55° aralığında 2.5 dB kayıp ile değiştirilebilmektedir.

This thesis presents a desgin of an Intelligent reflective surface (IRS) using the concept of design reflectarray surface. Reflective surfaces are seen as a technology that will improve the quality of communication when direct line-of-sight (LOS) between the receiver and the transmitter is blocked. The IRSs are two dimensional planar structures that consists of a large number of programmable passive reflector elements that have the ability to reflect the coming signals as a high-gain pencil beam in desired directions. This can be used to enhance the wireless environments by reaching places where LOS is blocked. In this study, variable element size and electronic control approaches are used for controlling reflection phase. CST MicroWave Studio (CST MWS) software was used for design and analysis of reflective surfaces, MatLab for calculating required reflection phases based on element positions on the surface, and Antenna Magus for designing the horn antennas that were used as the feed antenna in simulations. First, by using variable element size, two reflective surfaces were designed that reflect the incoming wave at 10 GHz with high gain to the direction of 30° in the elevation plane. One of the surfaces consists of a 3-layer polygonal patch and the other a square-shaped reflective element. A gain of 23.8 dBi and a bandwidth of about 22% (8.9–11.1 GHz) were obtained with the three-layer surface, and 26.5 dBi gain and 12% (9.5 - 10.7 GHz) bandwidth with the single layer surface. Then, an electronically reconfigurable 11 × 11 (121 elements) reflective surface was designed for 2.4 GHz. Varactors were used to adjust the reflection phases of the elements on the surface, and a bias circuit was designed to control terminal voltages of the varactors. The bias control circuit includes a microcontroller, two 64-channel multiplexers and a DC amplifier. According to the simulation results, the peak gain for the reflected beam is 20.54 dBi and the beam direction can be changed with 2.5 dB loss in the ± 55 ° range.