Geri Dön

A compact low sar value circularly polarized wearable antenna design for 5G applications

5G uygulamaları için kompakt düşük sar değerli dairesel polarize giyilebilir anten tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 740829
  2. Yazar: MELİH GÖKDEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR, DOÇ. DR. SAEID KARAMZADEH
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 89

Özet

Kablosuz vücut alan ağı farklı cihazların vücuda giyilerek ya da implant edilerek kullanılmasına olanak sağlayan bir teknolojidir. Günümüzde tıbbi teşhislerden, gerçek zamanlı vücuttaki fizyolojik değişimlerin izlenmesi, sanal gerçeklik uygulamaları ve askeri amaçlar gibi pek çok farklı kullanım yeri ve amacı vardır. Hastaların gerçek zamanlı olarak izlenmesi verilerinin tıbbi uzmanlarla anlık olarak paylaşılabilmesi, yaşam kalitelerinde ciddi yükselmelere sebep olabilir. Diyabet,astım ve kalp sorunları gibi kronik problemlere sahip hastalarda ise acil bir durumda veri akışının sağlanıp, bu verinin bir doktor tarafından değerlendirerek ani bir reaksiyon gösterilmesi kişinin hayatının kurtarılmasını sağlayabilir. Önümüzdeki süreçte bu alanda yapılan çalışmaların yoğunlaşarak, gündelik hayatta daha yoğun bir kullanıma sahip olması beklenmektedir. Giyilebilir kablosuz vücut alan ağı sistemlerinde giyilebilir antenler veri alışverişini ve haberleşmeyi sağlayan bir fonksiyon göstermektedir. Giyilebilir antenlerden vücut hareketlerini kısıtlamayan bir yapıda olmaları beklendiğinden esneklik sağlamaları ve bu esnekliği korumaları gerekmektedir. Ayrıca vücut üzeri ve vücut içerisindeki kullanımda, vücut özelliklerine karşı da dayanıklı olmaları beklenmektedir. İnsan bedeninin doğası gereği sürekli olarak hareketli bir yapıda olmasından dolayı, alıcı ve verici sistemler için polarizasyon eşleşmesini sağlamak zor olabilir. Maksimum güç transferini sağlayabilmek ve herhangi bir şekilde haberleşmenin kesilmesini önlemek için giyilebilir sistemlerde polarizasyon kavramı önem kazanır. Dairesel polarizasyonun kullanılması haberleşmenin devamı ve güç iletimi üzerinde oluşan kısıtlayıcılığı ortadan kaldırır. Özgül emilim oranı(SAR) birim doku başına emilen enerji oranı olarak adlandırılır. Amerika ve Avrupa için 1g ve 10g'lık dokular için aşılmaması gereken değerler üzerinden belirli standart değerleri oluşturulmuştur. Bu belirlenen değerler giyilebilir sistemler için hayati öneme sahiptir. Eşik değerinin aşılması tasarımın beden için uygunluğunu ortadan kaldırır. Bu yüzden eşik değerin geçilmemesi adına çeşitli metodlar geliştirilmiş ve farklı çalışmalarda kullanılmıştır. Dar bir banda sahip olan giyilebilir anten düşük veri kapasitesi ve düşük veri transfer oranına sahiptir. Özellikle bir haberleşme modülü için kullanıldığında bu bazı sorunlara neden olabilir.Beşinci nesil haberleşme spektrumununun kullanılması ile bu sorun aşılabilmektedir. Çünkü bu spektrum önceki nesil haberleşme bandlarına göre daha yüksek veri transfer oranı hızı ve daha büyük veri aktarımını sağlamaktadır. Daha geniş bandların sağlanması giyilebilir sistemler için birden fazla farklı parametrenin eş zamanlı olarak alınıp verilmesini sağlayabilir. Bu sayede giyilebilir teknolojilerin kullanım alanları genişletilebilir. Daha önce yapılan çeşitli giyilebilir anten tipleri literatürde belirtilmiştir. Ancak bu tasarımların çoğu daha düşük haberleşme ağı bandında, liner polarize, kalın alt tabaka, yüksek SAR değerleri, büyük boyutlar ve esnek bir yapıya sahip olmamaktan muzdaripti. Bu özellikler bahsedilen antenlerin giyilebilir yapıda olmasını zorlaştıran parametreler olmuştur. Bu tezde bahsedilen zorlukları ele alarak çözüm sunabilecek bir tasarım geliştirme amaçlanmıştır. Bu amacın gerçekleştirilebilmesi için giyilebilir eş düzlemli dalga kılavuzu anten önerilmiştir. Eş düzlemli dalga kılavuzu anten iki alt katman ve dairesel yamadan oluşmaktadır. Esneklik özelliklerini sağlayarak vücut hareketleri karşısında kısıt oluşturmaması için kot ve Roger 5880 alt katmanlar kullanılmıştır. Kot alt katman 0.787mm ve Roger 5880 alt katman 0.508mm kalınlığa sahiptir. İki alt katman arasında 0.6mm'lik bir boşluk bulunmaktadır. Dairesel yama üst taraftaki kot alt tabakadadır. Aşağıda olan Roger 5880 alt tabakanın arkasında tam yüzey toprak bulunmaktadır. Önerilen anten çeşitli aşamaların ve boyutsal hesaplamaların ardından nihai tasarıma ulaşmıştır. Öncelikle alt katman boyutu hesaplamalarla oluşturulmuş ve sonrasında dairesel yama ve yamanın kenarında bulunan toprak yapıları için boyutlar hesaplanmıştır. Anten üzerinde iletken olarak 0.035mm kalınlığında bakır şerit kullanılmıştır. Önerilen antenin dairesel polarizasyonu başarması da hedefleniyordu. Bu amaçla dairesel yamanın ortasında 45 derecelik bir açı ile dikdörtgen şeklinde yuva oluşturulmuştur. Tüm bu işlemler sonunda anten performansı boş uzayda ve vücut üzerinde simüle edilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre anten vücut üzeri ve boş uzay sonuçlarında iyi bir uyum sağladı. Boş uzayda yapılan simülasyondan sonra anten insan modeli kullanılarak tekrar simüle edildi. Anten insan modelinin kolundan 5mm uzağa konularak sonuçları elde edildi. Bu sonuçlarda, boş uzaya göre bir takım farklılıklar bulunsa da genel anlamda antenin çalışma performansını olumsuz etkileyerek haberleşmede kayıplara sebep olacak nihai tasarım amacından uzaklaştırabilecek değişimler gözlemlenmedi. Gözlemlenen değişimler empedans uyumu ve ve antenin çalışma bandı üzerinde oldu. Anten vücut üzerinde simüle edildiğinde empedans uyumunda minimal bir azalma gözlendi. Benzer biçimde antenin çalıştığı band aralığında da küçük bir kayma oldu. Yönlülük açısından baktığımızda anten çalışma aralığında benzer değerler elde etti. Vücut üzeri simülasyonda yönlülük değeri küçük bir değer artışı gösterdi. Eksenel oran sonuçları antenin performans göstermesi istenilen band aralığı içinde beklenilen değerleri sağladığını gösterdi. SAR değeri sonuçları da üst sınır olarak belirtilen eşik değerlere oranla oldukça küçük değerler gösterdi. Her iki standart ölçüm değeri yani 1g ve 10g'lık dokular için sonuçlar Avrupa ve Amerika standartlarının oldukça altında değerler sağladı. Bu değerlerin sağlanmasında aşağıda yer alan, arkasında tam toprak katman bulunduran alt tabakanın etkisi büyüktü. Eş düzlem dalga kılavuzu giyilebilir anten tasarımı tezde amaçlanan parametrelerde istenilen sonuçları sağladı. Önerilen anten düşük SAR değerli, oldukça küçük boyutlu, dairesel polarizasyona sahip ve beşinci nesil haberleşme ağ spektrumunda işlem göstermektedir. Tez bölümlerine göre bakarsak birinci bölümde literatürde var olan çalışmalar üzerinden genel bir inceleme yapılmıştır. Bu bölümde tasarım amacı, kullanım alanlarından ve tez için önemli olan anahtar kelimeler üzerine bigi verilmiştir. İkinci kısımda anten için temel parametrelerden bahsedilmiştir. Bu kısımda genel bir anten yapısı en temel özellikleri bakımından açıklanmıştır. Üçüncü bölümde mikroşerit anten yapısı için detaylandırma yapılmıştır. Mikroşerit anten için temel tasarım parametreleri, bu anten yapısının farklı besleme çeşitleri ve analiz edilirken hangi yaklaşımların olduğu hakkında kısaca açıklamalar yapılmıştır. Dördüncü bölümde önerilen eş düzlem dalga kılavuzu giyilebilir antenin tasarım aşamaları ve anteninin dairesel polarizasyonu sağlaması için yapılan işlemlerden bahsedilmiştir. Son bölümde antenin boş uzay ve vücut üzeri simülasyon sonuçları açıklanmış ve iki durum hakkında karşılaştırma yapılarak çalışma sonuçlandırılmıştır.

Özet (Çeviri)

Wireless Body Area Network (WBAN) is a technology that enables various devices to connect by putting them on a human body. Measurement of real-time physiological changes, medical diagnosis, and navigation are among the uses of WBAN. Monitoring the changes within the human body allows us to preserve a record of the health of patients continually, and it could be provided increased living standards for patients. In WBAN systems, wearable antennas perform the function of the transceiver structure, which allows for the transmission and reception of data and information. These antennas are designed to maintain their flexibility so that they do not restrict the mobility of the human body. Also, their structure should be strong for human body properties. A variety of flexible materials are employed as substrates in creating wearable antennas these days. This is done so that the structure of the antenna can supply flexibility. Because the human body is in a state of continual motion, it might be challenging to get the correct polarization alignment of the transceiver system, which is necessary for improved power reception. The use of circular polarization (CP) does away with the requirement that two systems be constantly aligned in order to receive maximum power. The majority of the previously represented wearable antennas are rigid, linearly polarized, massive in size, or have a very thick substrate. These characteristics make it challenging to employ these antennas in wearable applications. Specific Absorption Rate (SAR) refers to the ratio of the absorbed power to the unit mass of the tissue. Both the United States of America and the European Union have established their standards so that it is unacceptable for the power density of 1 g and 10 g of tissue to surpass specific values. The SAR value is a crucial limiting factor for wearable antennas. Because of this, a wide variety of methods are used in order to reduce the SAR value. Narrowband wearable antennas inevitably possessed a restricted bandwidth and a slow data transmission rate, particularly when coupled with communication modules. Despite this, the fifth generation (5G) of the communication spectrum helps address the shortcomings of previous generations. The 5G spectrum provides a higher and broader data transfer rate than the previous spectrum bands. The circular microstrip antenna in a coplanar waveguide structure has been chosen to operate in the 5G band. Denim and roger 5880 substrates have been used to provide flexibility and low SAR value. Denim substrate has a thickness of 0.787mm, and Roger substrate has a thickness of 0.508mm. There is a gap of 0.6 mm between the two substrates. A copper tape with a thickness of 0.035mm has been used as a conductor. A rectangular slot has been placed in the middle of the circular patch to ensure circular polarization. The performance of the coplanar waveguide antenna is simulated in free space and near the human body. The antenna showed a good fit in on-body and free space simulation. The simulation has been carried out by placing the antenna at a distance of 5 mm from the body. Although some changes have been observed in the simulation results on the body, there has been no severe change in general. There has been a slight shift in the frequency band and a light reduction in impedance matching. The use of two substrates has provided the lower SAR values. In summary, the antenna results provided circular polarization and very low SAR values in the desired band range. It has a good result in terms of impedance matching and radiation characteristics. The antenna has small dimensions and flexibility in general structure. It could be a good candidate for wearable applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    486787

    Antenna design for 4G mobile phones

    4G cep telefonları için anten tasarımı

    SERDAR OKUYUCU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYaşar Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA SEÇMEN

  2. Tez No

    442231

    A low-power analog-to-digital converter integrated circuit for data acquisition applications

    Sinyal alma uygulamaları için düşük güç tüketimli analog-sayısal çevirici tümleşik devresi

    SERHAT KOÇAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAYFUN AKIN

  3. Tez No

    664068

    A bowtie based quasi-yagi antenna design for microwavehyperthermia applications of breast cancer

    Meme kanseri tedavisinde mikrodalga hipertermi uygulamaları için papyon tabanlı quası-yagı anten tasarımı

    AYŞE IŞIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB

  4. Tez No

    361254

    Sıçanlarda oluşturulan deneysel endometriozis modelinde ankaferd (Bloodstopper) ve oksitosinin olası tedavi edici etkilerinin histolojik ve sitokinerjik parametreler ile değerlendirilmesi

    Evaluation of potential therapeutic effects of ankaferd (Bloodstopper) and oxytocin in experimental rat model of endometriosis by using histologic and cytokinergic parameters

    İSMET HORTU

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Kadın Hastalıkları ve DoğumEge Üniversitesi

    Kadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ULUKUŞ

  5. Tez No

    486608

    Optik dalga kılavuzu dizinleri vasıtasıyla ışığın kuplaj ve soğurulma verimliliklerinin arttırılması

    Efficiency enhancement of light coupling and absorption with optical waveguide arrays

    YUSUF ABDULAZİZ YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAMZA KURT

Geri Dön