Yeni nesil kablosuz iletişim sistemleri için anten tasarımı ve özgül soğurma oranı analizi
Design of antenna and specific absorption rate analysis for next generation wireless communication systems
- Tez No: 919392
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BEGÜM KORUNUR ENGİZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Ondokuz Mayıs Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Mobil cihazların hayatımızdaki önemi arttıkça, bu cihazların radyo sinyal iletim performansını artırmak, büyük bir araştırma alanı haline gelmiştir. Bu bağlamda, çoklu giriş çoklu çıkış (Multiple Input Multiple Output - MIMO) anten teknolojileri, sistem kapasitesini artırarak ve çok yollu sönümleme etkilerini azaltarak radyo sinyal iletim performansını artırmada önemli bir rol oynamaktadır. Bu tez çalışmasında, belirli bir algoritma temelinde tasarımı gerçekleştirilen, Uzun Süreli Gelişim (Long Term Evolution - LTE) bantları 42, 43 ve 46'da çalışan beşinci nesil (Fifth Generation - 5G) akıllı telefonlarla uyumlu bir yoğun MIMO (m-MIMO) anten dizisinin tasarım aşamaları sunulmuştur. Tasarım aşamasında, on portlu m-MIMO anten dizisindeki her bir anten elemanının, belirtilen üç LTE bandını mükemmel bir şekilde kapsaması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda kullanılan optimizasyon algoritmaları arasında, Nelder Mead Simpleks Algoritması (Nelder Mead Simplex Algorithm - NMSA), Parçacık Sürü Optimizasyonu (Particle Swarm Optimization - PSO), Kovaryans Matrisi Uyarlaması ile Evrim Stratejisi (Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy - CMA-ES) ve Güven Bölgesi Çerçevesi (Trust Region Framework - TRF) bulunmaktadır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda en iyi performansı sağlayan TRF algoritmasıyla m-MIMO anten dizisinin tasarımı tamamlanmıştır. Ardından anten dizisinin prototipi üretilerek her bir anten elemanının yansıma katsayıları ölçülmüştür. Ölçülen yansıma katsayıları, anten elemanlarının, istenen alt bandı (LTE 42,43), Gerilim Duran Dalga Oranı (Voltage Standing Wave Ratio – VSWR)=3 için tamamen kapsayan empedans bant genişliklerine sahip olduğunu göstermektedir. Üst bantta ise (LTE 46) hedeflenen rezonans frekanslarında, benzetime göre en yüksek %10,34'lük sapma gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, 5G mobil iletişim uygulamaları için çift bantlı bir modüler MIMO antenin tasarım ve analiz süreci sunulmuştur. Bu MIMO anten, 28 ve 38 GHz frekans bantlarında çalışmakta olup, bileşenlerinin nihai boyutlarını belirlemek için NMSA, PSO, CMA-ES, TRF, Enterpolasyonlu Quasi-Newton Algoritması (Interpolated Quasi-Newton Algorithm - IQN), Genetik Algoritma (Genetic Algorithm - GA) ve Klasik Powell (Classic Powell - CP) optimizasyon algoritmaları kullanılmıştır. Tasarım ve optimizasyonla ilişkilendirilen maliyetlerin önemli ölçüde azaltılmasının hedeflendiği tasarımda, yedi farklı algoritmadan CP algoritması en başarılı sonuçların elde edilmesini sağlamıştır. CP algoritması ile küçük boyutlardaki anten bileşen ve yuvalarının başarılı bir şekilde birleşimi sağlanırken, belirtilen frekanslarda (28 ve 38 GHz) MIMO anten rezonansı, frekanslarda kayma olmaksızın elde edilmiştir. CST programı kullanılarak elde edilen benzetim sonuçları, VSWR=2 için tasarlanan MIMO antenin 27.587-28.432 GHz (%3.01 bağıl bant genişliği) ve 37.405-38.504 GHz (%2.89 bağıl bant genişliği) arasında bir bant genişliği sergilediğini göstermektedir. Ayrıca, tasarlanan dört portlu bu antenden 28 GHz'de 8.126 dBi ve 38 GHz'de 7.418 dBi kazanç elde edilmiştir. Tasarımı tamamlanan MIMO antenin prototipi üretilerek her bir anten elemanının yansıma katsayıları ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarına göre, alt bantta hedeflenen rezonans frekansına göre dört anten elemanı için maksimum %2.39'luk bir sapma gözlemlenirken, üst bantta bu değer %2.97'dir. Elde edilen bulgular, önerilen MIMO antenin, milimetre dalga (Millimeter Wave - mmW) frekans bandında MIMO teknolojisini kullanan iletişim sistemleri için uygulanabilir bir çözüm sunduğunu göstermektedir. Tez çalışması kapsamında, MIMO antenlerin sağlık üzerindeki etkilerine dair araştırmaların, gelişimlerini ve yönelimlerini anlamak amacıyla, 2004'ten 2023'e kadar olan dönemde Web of Science veritabanında yayımlanan literatür üzerine bir bibliyometrik analiz gerçekleştirilmiştir. Analiz, antenlerin sağlık etkilerini incelemek için kullanılan Özgül Emilim Oranı (Specific Absorption Rate - SAR) ve Emilen Güç Yoğunluğu (Absorbed Power Density - Sab) gibi dozimetrik parametrelerin kapsamlı bir incelemesini sunmaktadır. Ayrıca, 6 GHz altı frekanslarda çalışan m-MIMO anten tasarımı için hesaplamalı insan modelleri kullanılarak SAR analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analiz sonucunda, m-MIMO antenin SAR değerlerinin Uluslararası İyonize Olmayan Radyasyondan Korunma Komisyonu (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection - ICNIRP) tarafından belirlenen uluslararası standartlarla uyumlu olduğu doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
As the importance of mobile devices in everyday life continues to grow, improving their radio signal transmission performance has become a significant research area. In this context, Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna technologies play a crucial role in enhancing radio signal transmission performance by increasing system capacity and mitigating multipath fading effects. In this thesis, the design stages of a massive MIMO (m-MIMO) antenna array—compatible with fifth-generation (5G) smartphones operating in Long Term Evolution (LTE) bands 42, 43, and 46—are presented. During the design phase, each antenna element in the ten-port m-MIMO antenna array was aimed to cover the three specified LTE bands perfectly. The optimization algorithms employed in this process include the Nelder–Mead Simplex Algorithm (NMSA), Particle Swarm Optimization (PSO), Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES), and the Trust Region Framework (TRF). Based on the comparisons performed, the design of the m-MIMO antenna array was finalized using the TRF algorithm, which yielded the best performance. Subsequently, a prototype of the antenna array was fabricated, and the reflection coefficients of each antenna element were measured. The measured reflection coefficients demonstrate that each antenna element possesses impedance bandwidths that fully cover the intended lower band (LTE 42, 43) for Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)=3. In the upper band (LTE 46), the maximum deviation from the simulated resonance frequencies was 10.34%. Moreover, the design and analysis process of a dual-band modular MIMO antenna for 5G mobile communication applications is presented. This MIMO antenna operates at 28 GHz and 38 GHz, and its final component dimensions were determined using NMSA, PSO, CMA-ES, TRF, the Interpolated Quasi-Newton Algorithm (IQN), the Genetic Algorithm (GA), and the Classic Powell (CP) optimization algorithms. Aiming to substantially reduce the costs associated with design and optimization, the CP algorithm—among seven different algorithms—delivered the most successful results. By employing the CP algorithm, the small-sized antenna components and slots were effectively combined, achieving resonance at 28 GHz and 38 GHz without any shift in frequency. Simulation results obtained via CST software show that the designed MIMO antenna, for VSWR = 2, exhibits bandwidths ranging from 27.587 to 28.432 GHz (a 3.01% relative bandwidth) and from 37.405 to 38.504 GHz (a 2.89% relative bandwidth). Furthermore, the four-port antenna achieves gains of 8.126 dBi at 28 GHz and 7.418 dBi at 38 GHz. Following the completion of the design, the MIMO antenna prototype was fabricated, and the reflection coefficients of each antenna element were measured. According to the measurement results, the maximum deviation from the targeted resonance frequency in the lower band for four antenna elements was 2.39%, whereas in the upper band this value was 2.97%. These findings indicate that the proposed MIMO antenna provides a viable solution for communication systems utilizing MIMO technology in the millimeter-wave (mmW) frequency range. Within the scope of this thesis, a bibliometric analysis of literature published in the Web of Science database from 2004 to 2023 was conducted to examine the health impacts of MIMO antennas and to identify emerging trends and developments in this field. The analysis provides a comprehensive overview of dosimetric parameters, such as Specific Absorption Rate (SAR) and Absorbed Power Density (Sab), which are commonly employed to investigate the health effects of antennas. Additionally, an SAR analysis was carried out using computational human models for an m-MIMO antenna operating below 6 GHz. The results confirmed that the SAR values of the m-MIMO antenna comply with the international standards stipulated by the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP).
Benzer Tezler
- Advanced spatial modulation systems for future MIMO systems
Yeni nesil MIMO sistemler için gelişmiş uzaysal modülasyon sistemleri
MEHMET AKİF KURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Kablosuz haberleşme uygulamaları için mikroşerit beslemeli yarık anten tasarımı
Microstrip fed slot antenna design for wireless communication applications
GÖKHAN MURAT ERYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA TÜRKMEN
- 5G mobil terminaller için yüksek kazançlı ve çoklu bant frekans seçici anten sistemi tasarımı
High gain and multi band frequency selective antenna system design for 5G mobile terminals
MEHMET YERLİKAYA
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
- Measurement based air to air and air to ground drone communication channel modeling
Ölçüm tabanlı havadan havaya ve havadan yere drone iletişim kanalı modelleme
BURAK EDE
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- 5G uygulamaları için dizi yama anten tasarımı ve optimizasyonu
Patch grid antenna design and optimization for 5g applications
ALP EREN BAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER