Compact size ultra-wideband metamaterial antenna

Abstract

Bu tezde metamalzemelerin temel prensipleri ve elektromanyetik dalgaların metamalzeme ortamındaki ilerleyişi, iletim hatlarının temelleri ve metamalzemelere kompozit iletim hatları methoduyla yaklaşım tanıtılmıştır. Bu tezde kompozit metamalzemeleri kullanarak koaksiyel hatla beslenen çok geniş bantlı anten tasarlanmıştır. Antenin daha geniş bantta empedans uyumluluğunu sağlayabilmek için antene konik bir şekil verilmiştir. Antenin daha geniş bir bantta empedans uyumunun olabilmesi ve kazanc sağlayabilmesi için anten üstünde dikdörtgen şeklinde yarık açıldı; antenin düşük frekanslardaki empedans uyumu iyileşti fakat diğer taraftan bu dikdörtgen şeklindeki yarık antenin frekans bandı içersinde istenmeyen resonanslar oluşturdu. Dikdörtgen şeklinde yarık yerine bölünmüş dikdörtgen şeklinde yarık kulllanılması bu istenmeyen resonanslar ortadan kaldırılmıştır ve antenin duran dalga frekans bandı ve kazancı iyileşmiştir. En sonunda ortaya çıkan anten küçük boyutlu ve çok geniş bantlı bölünmüş yarıklı bir antendir. Bölünmüş dikdörtgen şeklinde yarıklı küçük boyutlu çok geniş bantlı antenin benzetim sonuçlarına gore duran dalga oranı 3.8GHz'den 16.4GHz'e, ölçüm sonuçlarına gore ise 4GHz'den 17.5GHz'e kadar 2'nin altındadır. Bu anten çok yönlü ışıma yapan bir antendir. Dizayn sürecinde anteni modellemek ve sonuçlarını değerlendirmek üzere ticari bir yazılım olan ve 3 boyutlu elektromanyetik problem çözücü FEKO yazılımı kullanılmıştır. FEKO programını kullanarak tasarlanan antenler 1mm kalınlığında dielektrik katsayısı 4.3?_0 olan FR4 bir malzeme üzerine başılmıştır. Üretilmiş olan antenler vektor network analizörü kullanarak test edilmiş ve benzetim sonuçlarıyla oldukça tutarlı oldukları görülmüştür.

In this thesis, fundamental concepts of metamaterials and electromagnetic wave propagation in metamaterial medium, brief theory of transmission lines, and CRLH transmission line approach to metamaterials are introduced. Using the concept of CRLH metamaterial, compact size ultra-wideband metamaterial antennas are designed and implemented Antennas are excited by a coaxial feed. The shape of the antenna is tapered to provide impedance matching over a wider band. Furthermore ring slot is opened on the radiating part of the antenna; however spurious resonances emerged within the frequency band of the metamaterial antenna. Using rectangular split-ring slots instead of rectangular ring slots eliminated those unwanted resonances and improved the voltage standing wave ratio (VSWR) frequency bandwidth and gain of the antenna. The final antenna, compact size ultra-wideband antenna with split-ring slot, has VSWR value<2 from 3.8GHz to 16.4GHz according to simulation results, 4GHz to 17.5GHz according to measurement results. Although the designed and realized antennas have very compact sizes overall dimensions of the antenna are just 18mm x 26.2mm, they can successfully cover a large spectrum. The final antenna has an omni-directional radiation pattern. During design a commercial 3D electromagnetic solver program FEKO was used to simulate the antenna and obtain antenna evaluate the results. Metamaterial antennas designed and simulated using FEKO, are fabricated on a FR4 substrate with dielectric constant 4.3?_0 and thickness 1mm. Voltage standing wave ratio and input impedance of the fabricated antennas are measured using a network analyzer. The results obtained from measurement and simulation are in good agreement with each other.