Geri Dön

Graphene-based patch antenna design with switchable polarization for THz band

THz bandı ı̇çı̇n değı̇ştı̇rı̇lebı̇lı̇r poları̇zasyonlu grafen tabanlı yama anten tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 867597
  2. Yazar: GÜNER ATALIK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KAMİL KARAÇUHA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 109

Özet

Günümüzde gelişen teknoloji ile birlikte daha yüksek bant genişliğine sahip ve daha yüksek frekanslarda çalışan antenler yaygınlaşmaya başlamıştır. Özellikle son yıllarda 0.3 THz ve üzeri frekanslarda çalışan antenler ortaya çıkmıştır. THz bandı anten uygulamaları son on yılda ivme kazanmıştır. Bu gelişmeler, telekomünikasyon, radar sistemleri ve medikal görüntüleme gibi çeşitli alanlarda devrim niteliğinde yenilikler sunmaktadır. Elbette bu frekanslara ve bant genişliklerine ulaşılmasında malzeme teknolojisindeki gelişmelerin büyük katkısı olmuştur. Malzeme teknolojisi, antenlerin performansını artırma ve yeni işlevler kazandırma açısından kritik bir rol oynamaktadır. Bu alandaki en önemli malzemelerden biri ve çalışmamızın temelini oluşturan malzeme, benzersiz elektriksel özellikleri nedeniyle Grafen'dir. Grafen, tek atom kalınlığında, karbon atomlarından oluşan bir malzemedir ve olağanüstü iletkenlik, esneklik ve dayanıklılık gibi özelliklere sahiptir. Grafen'in elektriksel özellikleri, anten teknolojisinde çığır açıcı yenilikler sunmaktadır. Özellikle polarizasyon uyumsuzluğu veya çok yönlü sönümlenme gibi kayıpları ortadan kaldırmak için değiştirilebilir polarizasyona sahip bir mikroşerit anten tasarlamayı amaçlanmıştır. Bu tür bir anten, farklı uygulamalarda daha verimli ve güvenilir performans sağlamaktadır. Çalışmamızda, mikroşerit anten üzerinde bakır ve grafen birlikte kullanılarak farklı yüzey yapıları elde edilmiştir. Bakır, yüksek iletkenlik özelliği ile antenlerin verimliliğini artırırken, grafen ise esnek ve ayarlanabilir iletkenlik özellikleri ile tasarımda esneklik sağlamaktadır. Grafenin en önemli özelliklerinden biri, iletkenliğinin grafene uygulanan bias voltajına bağlı olarak değişmesidir. Bu sayede grafen kullanılan yüzeylerin iletkenliği ayarlanabilmektedir. Bu da tek bir yapı üzerinde değişen polarizasyonların gerçekleştirilmesini mümkün kılmaktadır. Yapılan tasarımlarda anten yapısı Doğrusal Polarizasyon (LP), Sağ Taraf Dairesel Polarizasyon (RHCP) ve Sol Taraf Dairesel Polarizasyon (LHCP) sağlamaktadır. Bu polarizasyon çeşitliliği, antenlerin farklı frekanslarda ve uygulamalarda optimal performans göstermesini sağlamaktadır. Ayrıca, değiştirilebilir polarizasyon özelliği, antenlerin çok çeşitli senaryolarda kullanılabilmesini mümkün kılmaktadır. İlk olarak, sonraki adımlara temel oluşturması adına ilk bölümde anten temelleri hakkında genel bir bilgilendirme yaparak teze giriş yapmaktır. Bu kısımda anten çalışma ve geometrik yapısının belirlenmesinde oldukça önemli olan iletim hattı modeli ve boşluk modeli anlatılmıştır. Anten geometrisinin belirlenmesinde ve bunların belirlenmesinde etkin olan saçaklanma etkisi ve model içerisindeki hesaplamalara olanak sağlayan varsayımlar detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Antenin ışıma mekanizmasının anlaşılması adına boşluk modeli üzerinde durulmuş, bu model içerisindeki mekanizmalar ve bu mekanizmalara etki eden anten boyutları arasındaki ilişkiler de ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Ayrıca, anten besleme yöntemlerinden detaylıca bahsedilmiştir. Antenlerin verimli çalışabilmesi için doğru besleme yöntemlerinin seçimi çok önemlidir. Bu bağlamda, çeşitli besleme teknikleri ve bu tekniklerin avantajları ve dezavantajları ele alınmıştır. Tasarımların doğru bir şekilde değerlendirilmesini sağlamak ve yama antenlerin işleyişinin detaylıca anlaşılması için temel anten parametreleri hakkında bilgiler verilmiş ve açıklanmıştır. Bu parametreler arasında kazanç, verimlilik, bant genişliği, polarizasyon ve radyasyon modeli gibi önemli kavramlar yer almaktadır. Bu bilgiler, anten tasarımının optimizasyonu ve performans değerlendirmesi açısından kritik öneme sahiptir. Sonuç olarak, gelişen teknoloji ve malzeme bilimi sayesinde THz bandında çalışan antenler, gelecekte iletişim ve diğer teknolojik alanlarda önemli yenilikler sunmaya devam edecektir. Grafen gibi ileri malzemelerin kullanımı, antenlerin performansını artırmakla kalmayıp, aynı zamanda daha esnek ve çok yönlü çözümler sunmaktadır. Bu da, daha hızlı, daha güvenilir ve daha verimli iletişim sistemlerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır. Tezin içerisinde oldukça kilit rol oynayan grafenin yapısı detaylıca açıklanmıştır. Grafen yapısını oluşturan yapı içerindeki electron davranışları , orbital yapıları ve enerji-moment diyagramı üzeirnden açıklanmıştır.Literatür içerisinde grafenin iletkenliğinin hesaplanmasında kullanılan Kubo formülasyonu anlatılmış ve formül içerindeki parametreler ve etkilerinden bahsedilmiştir.Bu noktada tez hedeflerine ulaşmak adına dairesel polarizasyona sahip antenler ve grafen kullanılarak üretilen farklı besleme yapısına, alt yalıtkana ve polarizasyona sahip antenler incelenmiş ve değerlendirilmişir. Bu yapılardan yola çıkılarak doğrusal polarizasyona sahip yama anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım ilk olarak HFSS programında sınanmıştır. Ardından tasarıma asimetrik yarıklar eklenerek antenin dairesel polarizasyon göstermesi sağlanmıştır. Ardından grafenin daha kolay bir şekilde simule edilebilmesi için yapılan tüm simulasyonlar ve mevcut tasarım CST Studio Suite programına taşınmıştır. İlk olarak dairesel yama kenarlarında oluşturulan asimetrik slotların içerisi üç farklı kimyasal potansiyele sahip grafen ile doldurularak antenin Doğrusal, Sağ-el Dairesel ve Sol-el Dairesel polarizasyonlar arasında bu üç farklı grafen bölgesiin kimyasal potansiyelleri manipule edilerek aynı yapıdaki anten yapısı içerisinde geçiş sağlanmıştır. Yapılan bu ilk tasarımın eksiklerinden biri dairesel polarizasyon durumunda aksiyel oranlarının sınır bir değerde olması olduğu görülmüştür. İlk tasarımdaki dairesel polarizasyonların iyileştirilmesi için ikinci bir tasarım olarak anten ortasına asimetrik bir haç şekli ilave edilmiştir. Yarık içerisine üç farklı kimyasal potansiyele sahip grafen kullanılarak antenin yapısının aynı kalarak polarizasyonlar arasında geçiş yapması sağlanmıştır. Tasarım içerisinde manipule edilen grafen kullanılarak yapılan polarizasyonlar arasında geçiş ile beraber anten çalışma frekenasının değiştiği görülmüştür. Aksiyel oranın ise neredeyse sıfıra yakın olduğu görülmüştür. Bu tasarımın eksikliği olarak ise polarizasyonlar arasındaki çalışma frekansı farklılıkları gösterilebilir. Birinci ve ikinci tasarımların eksikliklerin iderilmesi için üçüncü bir tasarım yapılmıştır. Yapılan tasarımda dairesel yama anten üzerine cassini ovaline benzer bir eğriye sahip yonca yaprakları merkezde dört yaprak olacak şekilde yerleştirilmiştir. Bu asimetrik yapraklar içinde önceki tasarımlardan farklı olarak biribirinden farklı iki kimyasal potansiyele sahip grafen kullanılmıştır. Tasarımın aksiyel oranı ilk tasarımdan oldukça iyi olmakla beraber farklı polarizayonlardaki çalışma frekanslarına bakıldığında mezkez freknaslarının aynı olduğu görülmüştür. Üçüncü ve son tasarımda benzer prensiplerden yaralanarak farklı bir geometri kullanılarak önceki tasarımların eksiklikleri giderilmiştir. Tez içerisinde yama anten çalışma prensipleri vey ama anten parametreleri anlatılarak bir temel oluşturulmuş sonrasında tasarımda kritik bir rol oynayan ve çalışmaya değer katan grafen ve grafenin modellenmesi hakkında bilgiler verilmiştir. Ardından üç farklı tasarım ortaya konmuş tasarımların birbirilerine karşı avantaj ve dezavantajları berlirtilmiştir. Yapılan üç tasarımın da polarizasyonlar arasında geçiş yapma özellikleri bulunduğu görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Today, with the development of technology, antennas with higher bandwidth and operating at higher frequencies have become widespread. Especially in recent years, antennas operating at frequencies of 0.3 THz and above have appeared. THz band antenna applications have gained momentum in the last decade. Of course, advances in material technology have contributed greatly to reaching these frequencies and bandwidths. The most important of these, and the material that forms the basis of our work, is Graphene due to its unique electrical properties. In addition, we aimed to design a microstrip antenna with switchable polarization to eliminate losses such as polarization mismatch or omnidirectional fading. Different surface structures were obtained using copper and graphene on the microstrip antenna. The most important feature of graphene in our study is that its conductivity varies depending on the bias voltage applied to the graphene. In this way, the conductivity of the surfaces using graphene can be adjusted. This makes it possible to realize varying polarizations on a single structure. In the designs, the antenna structure provides Linear Polarization (LP), Right-Hand Side Circular Polarization (RHCP), and Left-Hand Side Circular Polarization (LHCP). The biggest problem in this study and the thesis's main focus was obtaining LP, RCHP, and LHCP with a single feed. In order to realize these polarizations in a single structure, a circular antenna operating in linear polarization was first designed. The next stage of the design was to add structures that would provide circular polarization into the same design. For this purpose, asymmetric slots were added to the structure. An asymmetric slot is actually used to show that the slots shrink clockwise or counterclockwise and are located on the antenna surface. In the study, it was seen that the direction of shrinkage of the slots is the same as the direction of rotation of the currents. To adjust the Axial Ratio, the shrinkage rate of the slots was examined parametrically. Thus, RHCP and LHCP antennas were obtained from the antenna operating as LP. Afterward, graphene was added to the changing slot structure, and the conductivity of these regions was made variable. Thus, we have realized an antenna structure with variable polarization using only one simple feed structure. All designed antennas are simulated using CST Studio Suite.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    844985

    A graphene-based monopole microstrip antenna with tuneable bandgap for UWB implementations

    UWB uygulamaları için ayarlanabilir bant aralığına sahip grafen tabanlı tek kutuplu mikroşerit anten

    MUSTAFA KAREEM NAJM AL-ASADI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ KARAN

  2. Tez No

    804891

    Design and simulation of tunable microstrip antenna for 5G networks ‏

    5G ağları için ayarlanabilir mikro şerit antenin tasarımı ve simülasyonu

    OMAR ABDULHUSEIN ABDULRAZAQ AL-DARRAJI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş Üniversitesi

    Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. OĞUZ BAYAT

  3. Tez No

    767946

    Design and simulation of microstrip antenna with tuneable notch-band characteristic for uwb applications based on graphene material

    Grafen malzemesine dayalı UWB uygulamaları için ayarlanabilir çintik bandı karakteristikli mikro şerit anten tasarımı ve simülasyonu

    ZAINAB RAWAN ABDULRAHEEM ALOBAIDI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SEFER KURNAZ

  4. Tez No

    771881

    A compact microstrip patch antenna with a graphene based reconfigurable bandgap

    Başlık çevirisi yok

    SALLY MEHDI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDULLAHİ ABDU IBRAHIM

  5. Tez No

    844948

    Design and improvement of hybrid metal-graphene microstrip antenna for indoor applications

    İç mekan uygulamaları için hibrit metal-grafen mikroşerit anten tasarımı ve iyileştirilmesi

    ALI KAREEM NAJM AL-ASADI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ KARAN

Geri Dön