Design of miniaturized beam scanning microstrip antenna with isolated ports and review of antenna miniaturization technics
İzole kapılı mı̇nyatürleştı̇rı̇lmı̇ş ışın tarayıcı mı̇kroşerı̇t anten tasarımı ve anten mı̇nyatürleştı̇rme teknı̇klerı̇nı̇n gözden geçı̇rı̇lmesı̇
- Tez No: 867599
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KAMİL KARAÇUHA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Bu çalışmada, ilk bölümde yama antenlerin çalışma modelleri okuyucuya sade bir dille anlatılmaya çalışılmıştır. Anten boyutlarının belirlenmesinde oldukça iyi bir yakınsama metodu sunan iletim hat modeli detaylı bir şekilde açıklanmış ve bu model içerisindeki hesaplamaları yapmamıza yardımcı olan varsayımlar üzerinde durulmuştur. İletim hat modeli, anten tasarımında kritik öneme sahip olan kenar etkilerini anlamamıza da yardımcı olur. Ayrıca, yama antenlerin nasıl ışıma yaptığını anlamamıza yardımcı olan boşluk modeli de kapsamlı bir şekilde ele alınmıştır. Boşluk modeli, antenin ışıma karakteristiklerini belirleyen mekanizmaları açıklamakta ve bu mekanizmaların anten yapısına olan etkilerini göstermektedir. Bu model sayesinde, yama antenlerin ışıma desenlerini ve verimliliklerini etkileyen faktörler hakkında derinlemesine bilgi edinmek mümkündür. Bunların yanı sıra, anten parametreleri grafikler ve örneklemeler kullanılarak ayrıntılı bir şekilde anlatılmıştır. Bu bölümde, anten temelleri üzerine kapsamlı bilgiler verilerek tezin diğer bölümleri için gerekli olan teorik altyapı oluşturulmuştur. Böylece, okuyucular hem yama antenlerin temel çalışma prensiplerini öğrenmiş olacak hem de ilerleyen bölümlerde sunulan daha karmaşık konuları daha iyi kavrayabileceklerdir. İkinci bölümde ise, literatürdeki anten minyatürleştirme yöntemleri belirlenmiş ve detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Bu bölümde, anten minyatürleştirmenin günümüzdeki önemi vurgulanmış ve bu alandaki gelişmelerin neden önemli olduğu açıklanmıştır. Literatürde yer alan minyatürleştirme ile ilgili yöntemler incelenmiş ve bu yöntemlerin her birinin avantajları ve dezavantajları karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Minyatürleştirme yöntemlerinin etkilerini daha iyi anlayabilmek için dikdörtgensel bir yama anten tasarlanmış ve bu referans anten üzerinde çeşitli minyatürleştirme yöntemleri uygulanmıştır. Her bir yöntemin anten üzerindeki akımları ve ışıma patternine olan etkileri ayrıntılı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu analizler, yöntemlerin artılarını ve eksilerini ortaya koyarak, hangi durumlarda hangi yöntemin daha etkili olduğunu göstermiştir. Ayrıca, farklı minyatürleştirme yöntemlerinin bir arada kullanılabileceğini göstermek adına, birden fazla yöntemin aynı anda uygulandığı tasarımlar da gerçekleştirilmiştir. Bu tasarımlar, yöntemlerin birlikte kullanıldığında nasıl bir sinerji yaratabileceğini ve anten performansını nasıl etkilediğini ortaya koymuştur. Bölüm sonunda, yapılan tüm tasarımlar ve uygulanan yöntemler karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamlı değerlendirme, okuyuculara hangi minyatürleştirme yöntemlerinin hangi koşullarda daha uygun olduğunu ve bu yöntemlerin pratik uygulamalarda nasıl kullanılabileceğini anlamaları için kapsamlı bir bilgi sunmaktadır. Üçüncü bölümde ise, literatürde bulunan yama anten üzerinde tek ve çift modları kullanarak ışın tarayıcı bir anten geliştirilmiştir. Bu anten, minyatürleştirilen iki antenin birleşiminden oluşan bir yapıya sahiptir. Antenin minyatürleştirilmesi, yüksek dielektrik katsayısına sahip bir alt tabaka kullanılarak ve yarık eklenerek gerçekleştirilmiştir. Tasarımın sahip olduğu portlar arasındaki yalıtım problemi için literatürde tarama yapılmış ve incelenen yöntemler arasından sade ve bütünsel bir çözüm sunduğu için bir besleme ağı tasarlanmıştır. Bu besleme ağı, portlar arasındaki izolasyonu arttırmak amacıyla kullanılmıştır. Tasarımın kilit noktası, Y21 ve S21 parametreleri arasındaki ilişkinin tanımlanmasıyla oluşturulmuştur. Tasarımın ilk aşamasında, minyatürleştirilen antenin besleme yöntemi, açıklık bağlamalı besleme ile değiştirilmiştir. Bu değişiklik sonucunda arka lob ışımasının arttığı görülmüştür. Arka lob ışımasını bastırmak için bir reflektör plaka yerleştirilmiştir. Reflektör plakanın yerleştirilmesinin ardından, anten yapısı üzerinde besleme hatları uzatılarak Y21 parametresinin gerçek kısmı sıfıra yakınsaması sağlanmıştır. Daha sonra, besleme hatları arasına ilk tasarımda kapasitör, ikinci tasarımda ise indüktör eklenerek Y21 parametresinin sanal kısmı da sıfıra yakınlanmıştır. Bu noktada, izolasyonun iyileştiği S21 parametresinin iyileşmesinden anlaşılmış, ancak antenin çalışma frekansının kaydığı tespit edilmiştir. Bu durumu düzeltmek için, anten çalışma frekansı ile portların izole olduğu bölgenin eşleştirilmesi amacıyla anten besleme hatları üzerine saplamalar eklenmiştir. Saplamalar, uzunlukları ve portlardan uzaklıklarına göre parametreler kullanılarak analiz edilmiş ve antenin çalışma frekansı ile portlar arasında izolasyon sağlanan frekansların aynı noktada olması sağlanmıştır. Bu süreç sonunda, antenin performansı optimize edilerek hem çalışma frekansında hem de portlar arasındaki izolasyonda istenen sonuçlar elde edilmiştir. Tezde, simülasyonlarla yapılan tasarımın gerçeklenmesi ve doğrulanması adına antenin üretilmesi gereklidir. Bu bağlamda, antenin üretilebilir bir tasarıma sahip olması için üretim sürecindeki kısıtlamalara uyması ve dolayısıyla anten yapısında bazı değişiklikler yapılması zorunlu hale gelmiştir. İlk tasarım aşamalarında, yama üzerindeki kısa devreleyen duvar ve anten yapısı içerisindeki diğer tüm iletkenler başlangıçta kalınlıksız olarak çizilerek sınanmıştır. Ancak, üretim sürecinde tüm bu iletkenlere bir kalınlık verilmesi gerekliliği ortaya çıkmıştır. Bu nedenle, daha önceki bölümde anlatılan tasarım aşamaları, anten yapısındaki zorunlu değişikliklerin ardından tekrarlanarak üretim için yeni anten tasarımları gerçekleştirilmiştir. Özellikle, üretim sürecinde karşılaşılan zorluklar ve yapılan değişiklikler detaylı bir şekilde ele alınmıştır. İletkenlerin kalınlıklarının belirlenmesi ve bu değişikliklerin anten performansı üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu süreçte, kapasitör kullanılan yapı için bir adet ve indüktör kullanılan yapı için ikinci bir tasarım hazırlanmış ve bu tasarımlar üretilmiştir. Üretilen antenlerin S parametreleri ölçülerek, sonuçlar üretim verileri ile karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. S parametreleri, antenin frekans tepkisi ve performansı hakkında önemli bilgiler sağladığı için bu ölçümler, antenin tasarımının doğrulanması açısından kritik öneme sahiptir. Üretim süreci boyunca elde edilen veriler, simülasyon sonuçları ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Bu analizler, anten tasarımının gerçek dünya koşullarında da başarılı bir şekilde çalıştığını doğrulamıştır. Elde edilen veriler, anten performansının simülasyonlarla uyumlu olduğunu göstermiştir. Ayrıca, bu süreçte yapılan değişikliklerin anten performansı üzerindeki etkileri de ayrıntılı bir şekilde incelenmiş ve gerekli optimizasyonlar yapılmıştır. Sonuç olarak, simülasyonlarla yapılan tasarımların üretime uygun hale getirilmesi ve doğrulanması sürecinde karşılaşılan zorluklar başarılı bir şekilde aşılmıştır. Üretilen antenlerin performansının simülasyon sonuçları ile uyumlu olduğu ve gerçek dünya koşullarında da etkili bir şekilde çalıştığı görülmüştür. Bu çalışma, simülasyon ve üretim süreçlerinin entegrasyonu ve anten tasarımının gerçeklenmesi açısından önemli bir katkı sağlamıştır. Tasarım aşamalarının ve üretim sürecinin tekrarlanması ile elde edilen yeni anten tasarımları hem kapasitör kullanılan hem de indüktör kullanılan yapıların üretilmesi ve sınanması ile doğrulanmıştır. Bu süreç, simülasyon verilerinin gerçek üretim koşullarında da geçerli olduğunu ve anten tasarımının başarıyla gerçekleştirilebildiğini göstermiştir. Tez konusu içerisinde birbirinden farklı pek çok etken bulunması dolayısıyla, tez bölümleri içerisinde minyatürleştirmeden izolasyona ve besleme yapılarına kadar pek çok farklı konuya değinilmiştir. Yapılan literatür değerlendirmeleri ile tasarımda karşılaşılan sorunlara çözümler üretilmiş ve bu çözümler tasarıma uygulanmıştır. Yapılan çalışmada, iki ayrı temel unsurdan yararlanılmıştır. Bu unsurlardan ilki minyatürleştirme, ikincisi ise anten portları arasındaki izolasyondur. Minyatürleştirme hakkında yapılan literatür değerlendirmeleri ve literatürde yer alan yöntemler tanımlanmış ve karşılaştırılmıştır. Karşılaştırılan bu yöntemler, HFSS programı kullanılarak 3.6 GHz frekansında çalışan bir anten üzerinde uygulanmış ve etkileri tartışılmıştır. İkinci unsur olan izolasyon yöntemi için yapılan çalışma sonucunda en uygun yöntem belirlenmiştir. Belirlenen yöntemin matematiksel temelleri ortaya konmuş ve bu temeller doğrultusunda tasarım gerçekleştirilmiştir. Elde edilen tasarım, gerçeklenerek yapılan ölçümler sonucunda simülasyonlarla üretilen antenin benzer şekilde çalıştığı doğrulanmıştır. Antenin üretilebilir bir tasarıma sahip olması için yapılan zorunlu değişiklikler, üretim sürecinde karşılaşılan zorluklar ve bu değişikliklerin anten performansı üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde ele alınmıştır. İletkenlerin kalınlıklarının belirlenmesi ve bu değişikliklerin anten performansı üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu süreçte, kapasitör kullanılan yapı için bir adet ve indüktör kullanılan yapı için ikinci bir tasarım hazırlanmış ve bu tasarımlar üretilmiştir. Üretilen antenlerin S parametreleri ölçülerek, sonuçlar üretim verileri ile karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. S parametreleri, antenin frekans tepkisi ve performansı hakkında önemli bilgiler sağladığı için bu ölçümler, antenin tasarımının doğrulanması açısından kritik öneme sahiptir. Üretim süreci boyunca elde edilen veriler, simülasyon sonuçları ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Bu analizler, anten tasarımının gerçek dünya koşullarında da başarılı bir şekilde çalıştığını doğrulamıştır. Elde edilen veriler, anten performansının simülasyonlarla uyumlu olduğunu göstermiştir. Ayrıca, bu süreçte yapılan değişikliklerin anten performansı üzerindeki etkileri de ayrıntılı bir şekilde incelenmiş ve gerekli optimizasyonlar yapılmıştır. Sonuç olarak, simülasyonlarla yapılan tasarımların üretime uygun hale getirilmesi ve doğrulanması sürecinde karşılaşılan zorluklar başarılı bir şekilde aşılmıştır. Üretilen antenlerin performansının simülasyon sonuçları ile uyumlu olduğu ve gerçek dünya koşullarında da etkili bir şekilde çalıştığı görülmüştür. Bu çalışma, simülasyon ve üretim süreçlerinin entegrasyonu ve anten tasarımının gerçeklenmesi açısından önemli bir katkı sağlamıştır. Böylelikle, minyatürleştirme ve izolasyon konularında yapılan detaylı çalışmalar ve uygulamalar sayesinde, anten tasarımının pratikte de başarılı bir şekilde gerçekleştirilebileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this study, the first chapter explains the working models of patch antennas in simple language: the transmission line model, which provides a very good convergence method for determining the antenna dimensions and understanding the fringing effect. The cavity model helps us understand how the patch antennas radiate and which mechanisms affect the radiation pattern. In addition, antenna parameters are explained with examples and figures. The second part identifies and describes antenna miniaturization methods in the literature. The importance of miniaturization today is mentioned in the chapter. The miniaturization methods in the literature are examined and compared to each other. In addition, a rectangular patch antenna was designed to demonstrate miniaturization methods. Applying the described methods on this reference antenna evaluates the pros and cons of the methods. At the same time, to show that the methods can be combined, designs where the methods are used together are also realized. All the designs and methods applied in the chapter are evaluated at the end of the chapter. The third chapter found an antenna that can perform beam scanning using odd and even modes on the patch antenna found in the literature. Miniaturization was performed on this antenna, which has a structure consisting of a combination of two miniaturized antennas, and the isolation problem between the ports of the design was applied to the antenna in our hand by using another work in the literature. In the first step, a substrate with a higher dielectric coefficient was used for miniaturization, and the antenna structure was miniaturized by adding slots to the patch. At the same time, in the next steps, the design is modified to use an aperture-coupled feeding method as it offers a better solution for isolation. A reflector is added to the design to suppress the back-lobe radiation resulting from the modified design. Then, isolation between the ports was achieved using the Y parameters, as described in detail in the thesis. The proposed design is manufactured for validation, and the isolation method is confirmed via the measurement of S parameters with simulation. The thesis encompasses a comprehensive overview of patch antennas, delving into their fundamental principles while emphasizing the miniaturization of antenna designs. Notably, the research addresses and rectifies existing design limitations found in the literature through the process of miniaturization. On the other hand, at the design steps, the antenna is miniaturized using these methods and port isolation provided by the designed decoupling feeding network. The isolation steps are described in detail, explained with a literature review, and applied the antenna. As a result of these afford the beam scanning miniaturized antenna with isolated ports is obtained.
Benzer Tezler
- Directional wide band printed monopole antenna for use in microwave breast cancer imaging
Mikrodalga meme kanseri görüntüleme kullanımı için geniş bantlı yönlü mikroşerit anten
JAVAD JANGİ GOLEZANİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
İletişim Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiHaberleşme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- 3D-printed actuator-based beam-steering approach for improved physical layer security in visible light communication
Görünür ışıkla haberleşmede geliştirilmiş fiziksel katman güvenliği için 3D baskılı aktüatör tabanlı ışın hüzmesinin yönlendirilmesi tekniği
MEHMET CAN ERDEM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Imaging of multiple slices with single lateral scan
Tek bır düzlemsel tarama ıle bır çok katmanın görüntülenmesı
MİYASE TEKPINAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Electromagnetically actuated optical micro-mechatronic systems integrated on PCB
Baskı devre üzerine tümleşik elektromanyetik tahrikli optik mikro-mekatronik sistemler
SERHAN ÖMER IŞIKMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HAKAN ÜREY
- 3 boyutlu yazıcı ile basılmış, odak ayarlı kolajen katkılı zarlı mikro akışkan mercek
A 3D-printed tunable fluidic lens with collagen-enriched membrane
ESAT CAN ŞENEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU