Yapay manyetik iletken (AMC) yapılarının giyilebilir antenlerde özgül emilim oranı (SAR) ve kazanç iyileştirmesine etkisi
Effect of artificial magnetic conductor (AMC) structures on specific absorption rate (SAR) and gain improvement in wearable antennas
- Tez No: 947999
- Danışmanlar: PROF. DR. MESUT KARTAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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: 85
Özet
Bu tez çalışması, giyilebilir elektronik sistemlerde anten performansını iyileştirmek ve elektromanyetik güvenlik kriterlerine uygun çözümler geliştirmek amacıyla yapay manyetik iletken (AMC) yapıların kullanımını araştırmaktadır. Giyilebilir sağlık takip cihazları, gerçek zamanlı veri toplama, konforlu kullanım ve sürekli bağlantı gibi avantajlar sunarken, insan vücuduna olan yakınlık anten sistemlerinin tasarımını daha karmaşık hale getirmektedir. Bu yakınlık, elektromanyetik enerjinin vücut dokuları tarafından absorbe edilmesi gibi önemli güvenlik ve performans problemlerine neden olmaktadır. Anten-vücut etkileşimini dengeleyen, hem kullanıcıyı koruyan hem de iletişim kalitesini artıran mühendislik çözümlerine duyulan ihtiyaç, bu çalışmanın çıkış noktasını oluşturmaktadır. Tez kapsamında, giyilebilir antenlerin teknik gereksinimleri, özgül emilim oranı (SAR) kavramının biyomedikal bağlamdaki önemi ve mevcut uluslararası standartların çerçevesi detaylı şekilde incelenmiştir. SAR, bir cihazın yaydığı elektromanyetik enerjinin insan dokularında ne kadar absorbe edildiğini ölçen kritik bir parametredir. Bu nedenle, anten tasarımı sadece yönlü kazanç ya da bant genişliği gibi klasik performans kriterleriyle değil, aynı zamanda insan sağlığıyla doğrudan ilişkili güvenlik parametreleriyle de optimize edilmelidir. Mevcut literatür taraması, geleneksel anten-toprak düzlemi tasarımlarının, giyilebilir uygulamalarda istenen performans düzeyini ve güvenlik standardını sağlamada yetersiz kaldığını göstermektedir. Bu soruna çözüm olarak değerlendirilen yapay manyetik iletken (AMC) yapılar, elektromanyetik dalgaları sıfır faz kayması ile yansıtır ve böylece antenin insan vücuduna çok yakın yerleştirilse dahi etkili şekilde çalışmasına imkân tanır. Çalışma kapsamında, AMC teknolojisinin fiziksel prensipleri, karakterizasyon yöntemleri ve farklı topolojik türleri (ör. mantar tipi, frekans seçici yüzeyler, metayüzeyler) teknik düzeyde analiz edilmiştir. Yüksek empedanslı bu yüzeylerin, hem yönlü radyasyonu desteklemesi hem de istenmeyen yüzey dalgalarını bastırması sayesinde anten verimliliğini artırırken SAR'ı düşürdüğü gösterilmiştir. Ayrıca, AMC'lerin düşük profilli ve kompakt yapılara izin vermesi, onları giyilebilir elektronik sistemler için son derece uygun hale getirmektedir. Uygulama bölümünde, iki farklı anten tasarımı geliştirilmiş ve bu antenlerin çeşitli AMC konfigürasyonlarıyla olan etkileşimleri ANSYS EDT simülasyon ortamında detaylı biçimde analiz edilmiştir. Her anten için AMC destekli ve desteklenmemiş senaryolar karşılaştırılmış, anten performansı yönünden (örneğin yönlülük, empedans uyumu, kazanç) ve SAR açısından kapsamlı değerlendirmeler yapılmıştır. Simülasyonlar, AMC yapılarının SAR'ı düşürürken anten kazancını anlamlı şekilde iyileştirdiğini göstermektedir. Bu durum, anten-AMC-vücut üçgeninde elektromanyetik uyumu sağlamak açısından önemli bir tasarım çıktısı olarak değerlendirilmiştir. SAR analizleri sayısal simülasyonlar aracılığıyla yürütülmüş; bu sayede insan vücuduna yakın çalışan sistemlerin elektromanyetik davranışı, kontrollü ve tekrar edilebilir ortamda modellenmiştir. Simülasyonlar sırasında kullanılan vücut modelleri, farklı doku türlerini temsil edebilmekte ve gerçek kullanım senaryolarının etkili biçimde test edilmesine imkân tanımaktadır. Sonuç olarak bu çalışma, giyilebilir anten sistemlerinin performansını artırmak ve elektromanyetik güvenliği sağlamak amacıyla AMC teknolojisinin etkinliğini kapsamlı bir şekilde ortaya koymaktadır. Sunulan mühendislik yaklaşımı; düşük SAR, yüksek kazanç, kompakt yapı ve kullanıcı dostu tasarım ilkelerini bir araya getiren çok yönlü bir çözüm önerisi sunmaktadır. Literatürde yer alan teorik AMC çalışmaları, bu tez ile pratik uygulamalara taşınmış; gerçekçi senaryolarda performans gösteren tasarımlar oluşturulmuştur. Bu yönüyle çalışma hem akademik bilgi birikimine katkı sunmakta hem de gelecekte geliştirilecek ticari giyilebilir cihazlara yol göstermektedir. Geleceğe dönük olarak, farklı frekans bantlarında çalışan, yeniden yapılandırılabilir ve çok bantlı AMC destekli anten sistemlerinin geliştirilmesi planlanabilir. Ayrıca, tekstil tabanlı metayüzeylerin kullanımıyla tam entegre, yıkanabilir ve esnek yapılar tasarlamak; giyilebilir teknolojilerin hem fonksiyonel hem de konfor odaklı evrimini destekleyecektir. Bu tezde ortaya konan analiz yöntemleri, tasarım stratejileri ve sonuçlar, hem akademik araştırmalara hem de ürün geliştirme süreçlerine ışık tutacak niteliktedir.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the use of Artificial Magnetic Conductor (AMC) structures to enhance antenna performance and ensure electromagnetic safety in wearable electronic systems. Wearable health monitoring devices offer real-time data collection, user comfort, and continuous connectivity. However, their close proximity to the human body complicates antenna design due to the electromagnetic interaction between radiating elements and biological tissues. This interaction can lead to performance degradation and, more critically, increased electromagnetic absorption by body tissues. Such absorption is quantified by the Specific Absorption Rate (SAR), a critical safety metric governed by international standards. The central objective of this study is to explore engineering solutions that simultaneously optimize wireless communication performance and minimize SAR in wearable systems. The thesis begins by examining the technical requirements of wearable antennas, the biomedical significance of SAR, and the relevant international regulations and safety limits. It emphasizes that antenna design in wearable devices must address not only classical performance metrics such as gain, bandwidth, and radiation efficiency but also safety-related constraints associated with human exposure to radiofrequency fields. A comprehensive literature review reveals that traditional antenna and ground plane configurations fail to meet both performance and safety requirements when implemented in on-body applications. This gap highlights the necessity for novel and integrated design strategies. As a promising solution, Artificial Magnetic Conductors (AMCs) are proposed. These structures are engineered to reflect incident electromagnetic waves in-phase, unlike conventional metallic conductors that induce a 180-degree phase shift. AMC surfaces possess high surface impedance and enable constructive interference even when antennas are placed extremely close to reflective ground structures. The study explores the theoretical foundations of AMCs, their classification into types such as mushroom structures, frequency selective surfaces (FSS), and metasurfaces, and the various characterization techniques used to analyze their performance. The ability of AMCs to suppress surface waves and backward radiation makes them ideal candidates for use in low-profile wearable devices. Additionally, their compact nature and compatibility with flexible materials render them suitable for integration into textile-based electronics. In the application phase of the study, two different antenna designs were developed and evaluated with multiple AMC configurations using the ANSYS EDT simulation environment. The simulation scenarios include both AMC-supported and unsupported configurations. These were analyzed in terms of key antenna parameters such as input impedance, radiation pattern, and gain, as well as SAR levels. The simulations clearly demonstrate that the presence of AMC structures reduces SAR and significantly improves antenna gain. These findings highlight the critical role of AMC integration in achieving electromagnetic compatibility between the antenna, the human body, and the surrounding environment. SAR analysis was conducted through numerical simulations, using detailed voxel-based human models that replicate the electromagnetic properties of various tissue layers. This approach enabled consistent and repeatable evaluation of the electromagnetic behavior of wearable systems in realistic scenarios without the need for physical measurements. The models allowed for effective assessment of device performance when worn on or near the body and helped visualize the impact of different AMC geometries on energy absorption distribution across biological tissues. The simulation results indicate that AMC-backed antennas produce more focused radiation patterns, reduce coupling to the lossy body tissues, and improve the directionality of the emitted fields. Additionally, it was observed that the electromagnetic shielding provided by AMC structures suppresses energy leakage toward the body, thereby reducing localized SAR hotspots. These advantages are particularly valuable for antennas operating at ISM bands such as 2.4 GHz and 5 GHz, commonly used in Bluetooth, Wi-Fi, and medical telemetry applications. In conclusion, this study demonstrates that AMC-assisted antenna designs represent a comprehensive engineering solution for wearable electronics by addressing both electromagnetic performance and user safety. The presented approach integrates SAR management, gain enhancement, and compact form factors into a unified design framework suitable for real-world applications. The thesis contributes to the academic body of knowledge by validating AMC technology in practical use cases and offering insights that are directly applicable to commercial product development. The design methodology, simulation techniques, and findings laid out in this work provide a robust foundation for future research and industrial innovation in wearable RF systems. Future work may focus on the development of reconfigurable and multiband AMC surfaces that support dynamic adaptation to changing wireless standards or usage environments. Additionally, the incorporation of textile-compatible AMC designs can enable the realization of fully integrated, washable, and flexible smart garments. These directions promise to extend the capabilities of wearable health technology while maintaining high standards of performance and safety. The analysis techniques, design principles, and results presented in this thesis offer valuable guidance for the evolution of reliable, efficient, and user-friendly body-worn wireless systems.
Benzer Tezler
- Machine learning based design of gap waveguides
Makine öğrenmesi tabanlı boşluk dalga kılavuzu tasarımı
UĞUR ALKAŞI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÇAYÖREN
- AMC reflektör kullanımı ile MIMO dual band mikroşerit anten tasarımı
Design of dual band microstrip antenna with AMC reflector
SERAP KILINÇ EVRAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZLEM COŞKUN
- Design of artificial magnetic conductor for antenna development at 14 GHz and 26 GHz
14 GHz ve 26 GHz'de anten geliştirme için yapay manyetik iletken tasarımı
MOHAMED ABDIAZIZ MOHAMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EDİZ ERDEM
- Yapay manyetik iletken toprak yüzeyli genişbant mikroşerit anten tasarımı
Design of a broadband microstrip antenna with artificial magnetic conductor ground plane
MUSTAFA ÇEKİNGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVDET IŞIK
- Mikrodalga ve terahertz bölgesinde anten, yapay manyetik iletken ve enerji hasatına yönelik metamalzemelerin tasarım, üretim ve ölçümü
Design, fabrication and measurement of metamaterials for the application areas of antennas, artificial magnetic conductor, and energy harvesting in microwave and terahertz region
SULTAN CAN
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ASIM EGEMEN YILMAZ