Geniş Bant İletişim Sistemleri için Çift Bikonik Anten Tasarımı ve Optimizasyonu

Öz

Bu çalışmada, 750–1150 MHz bandında çalışan ve elektriksel olarak yalıtılmış iki bikonik elemanın dikey eksende istiflendiği geniş bantlı bir anten sistemi sunulmaktadır. Her bir bikonik geometri, belirli bir çap sonrasında konik kollardan silindirik bir bölgeye geçiş yapan hibrit yapıda tasarlanmış; böylece kompaktlık, mekanik dayanım ve üretim kolaylığı hedeflenmiştir. Antenler arası etkileşimi azaltma hedefi ile bikonik ışıyıcıların arasındaki mesafe, karşılıklı kuplaj kriterleri gözetilerek optimize edilmiştir. Tasarım sürecinde zaman bölgesi (time domain) tam dalga elektromanyetik simülasyonlar yürütülmüş; ardından prototip imalatı yapılarak geri dönüş kaybı (S11) ve izolasyon (S12/S21) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın özgün yönü olarak iki besleme mimarisi sistematik biçimde karşılaştırılmıştır: (i) kablo-geçişli yaklaşımda ikinci anten, birincinin içinden geçirilen koaksiyel hat ile beslenmektedir; (ii) haricî yaklaşımda ise her iki anten bağımsız kablolarla dışarıdan uyarılmaktadır. Her iki senaryoda antenlerin bant genişliği, geri dönüş kaybı ve antenler arası kuplaj üzerindeki etkileri ayrıntılı olarak ortaya konmuştur. Ölçüm sonuçları, her iki mimaride de S11 ve S22’nin tüm bantta −10 dB’in altında kaldığını ve tekil eleman gerçekleşen kazancının yaklaşık 3 dBi olduğunu göstermektedir. Hibrit geometri ile uygun yerleşim/mesafe optimizasyonunun, her iki mimaride de 750–1150 MHz aralığında geniş bantlı çalışmayı mümkün kıldığı doğrulanmıştır. Sonuçlar ayrıca, uygulama gereksinimlerine bağlı olarak besleme topolojisi seçiminde izolasyon performansı, kablolama karmaşıklığı, bakım erişimi ve entegrasyon kolaylığı arasında dengeli bir tercih yapılması gerektiğine işaret etmektedir; bu bağlamda mimari seçimi sistem düzeyindeki paketleme, çevresel koşullara dayanım ve maliyet hedefleriyle birlikte ele alınmalıdır.

Anahtar Kelimeler

• Bikonik anten
• geniş bant anten
• anten tasarımı
• izolasyon
• çift girişli anten

Design and Optimization of a Dual Biconical Antenna for Broadband Communication Systems

Öz

This study presents a broadband antenna system operating over 750–1150 MHz, composed of two electrically isolated biconical radiators vertically stacked. Each biconical geometry adopts a hybrid configuration in which the conical arms transition to a cylindrical section beyond a certain diameter, targeting compactness, mechanical robustness, and manufacturability. To mitigate mutual coupling, the inter-antenna spacing is optimized with respect to coupling metrics. During the design phase, full-wave time-domain electromagnetic simulations are performed; subsequently, a prototype is fabricated and measurements of return loss and isolation (S12/S21) are conducted.A key contribution is the systematic comparison of two feed architectures: (i) an in-line scheme, where the second antenna is excited via a coaxial line routed through the first radiator; and (ii) an external scheme, where both antennas are independently driven from outside via separate cables. The influence of each scenario on band coverage, return-loss quality, and inter-element coupling is examined in detail using side-by-side simulation and experimental results. Measurement outcomes indicate that, for both architectures, S11 and S22 remain below −10 dB across the entire band, and the realized gain of a single element is approximately 3 dBi. The findings confirm that the proposed hybrid geometry, combined with appropriate placement and spacing optimization, enables broadband operation over 750–1150 MHz for both feed approaches. Moreover, depending on application requirements, selecting a feed topology entails a balanced trade-off among isolation performance, cabling complexity, maintenance access, and integration convenience; accordingly, the architectural choice should be considered together with system-level packaging, environmental robustness, and cost targets.

Anahtar Kelimeler

• Biconical antenna
• broadband antenna
• antenna design
• isolation
• dual-fed antenna

Kaynakça

1. C. A. Balanis, “Biconical Antenna,” in Antenna Theory: Analysis and Design, 4th ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2016, 487–492.
2. K. Siwiak ve D. McKeown, Ultra-Wideband Radio Technology. Chichester, U.K.: John Wiley & Sons, 2004.
3. J. Cao, H. Tang ve X. Zhou, “Design of wideband receiving antenna for VHF/UHF band passive radar,” Int. J. RF Microw. Comput.-Aided Eng., 32(4), e23055, 2022.
4. A. A. Abdulhameed, A. K. Jasim, S. A. Salman ve S. A. Ghaffoor, “Investigation of broadband printed biconical antenna with tapered balun,” Energies, 14(13), 4013, 2021.
5. Z. Wang, Y. Zhang, C. Li ve Y. Chen, “Low windage dual-band omnidirectional antenna for high-speed aircraft communication application,” Microwave and Optical Technology Letters, 66(6), e34211, 2024.
6. C. S. Ram, D. Vakula ve M. Chakravarthy, “Design of compact broadband omni directional canonical sleeve antenna covering 500–3600 MHz,” Adv. Electromagn., 7(2), 53–59, 2018.
7. C. S. Ram, D. Vakula ve M. Chakravarthy, “Design of broadband compact canonical tetra sleeve cage antenna covering UHF band,” Prog. Electromagn. Res. Lett., 85, 81–89, 2019.
8. S. Liao, P. Chen ve Q. Xue, “Ka-band omnidirectional high gain stacked dual bicone antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., 64(1), 294–299, 2016.

9. H.-M. Jeong, S.-B. Park, C.-W. Kim, O. Sodnomtseren, J.-H. Bang ve B.-C. Ahn, “A conical-cylindrical monopole antenna,” J. Korea Electromagn. Eng. Soc., 7(3), 138–146, 2007.
10. A. M. Bobreshov, A. S. Zhabin, E. A. Seregina ve G. K. Uskov, “Biconical antenna with inhomogeneous dielectric lens for UWB applications,” Electronics Letters, 56(17), 857–859, 2020.
11. F. Zhou, Y.-G. Gao, A. Rao, D. Shi, Y.-M. Shen, Y.-Y. Zhang ve A.-L. Meng, “Distance boundary of antenna isolation calculation in engineering,” in Proc. URSI General Assembly and Scientific Symposium (GASS), Beijing, China, 2014, 1–4.
12. ITU-R, Report ITU-R M.2244: Isolation between antennas of IMT base stations in the land mobile service. Geneva, Switzerland: International Telecommunication Union, 2011.
13. V. N. Okorogu, G. N. Onoh, G. C. Nwalozie, and D. U. Onyishi, “Antenna isolation technique for interference reduction in a co-site system,” Int. J. Adv. Res. Comput. Commun. Eng., 2(7), 2859–2868, 2013.
14. F. Islam, F. Alsaleem, F. N. Alsunaydih, and K. Alhassoon, “Mutual coupling reduction in compact MIMO antenna operating on 28 GHz by using novel decoupling structure,” Micromachines, 14(11), 2065, 2023.
15. F. Lalezari, “Broadband antenna system allowing multiple stacked collinear devices,” U.S. Patent 8,228,257, Jul. 24, 2012.