Conductors on multilayer media as radiating elements

Abstract

öz ÇOK KATMANLI ORTAM ÜZERİNDE YAYICI ELEMANLAR OLARAK KULLANILAN İLETKENLER ÖGÜCÜ, Gölge Hatice Doktora Tezi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Tuncay EGE Yardımcı Tez Yöneticisi: Yar. Doç. Dr. Lale ALATAN Aralık 2004, 122 sayfa Pratikte mikroşerit antenler sonlu üstleç ve yer düzlemi üzerine yerleştirildikleri halde, geliştirilen bir çok analiz metodu hem üstleç tabakanın, hem de yer düzleminin sonsuz olduğu varsayımına dayanır. Ancak, matematiksel modellerde üstleçin ve yer düzleminin sonlu olduğu hesaba katılırsa, anten karakteristikleri daha doğru bulunacaktır. Bu tezde, topraklanmış sonlu dielektrik üstleç üzerine yerleştirilen mikroşerit antenlerin verimli şekilde analizini yapmak için bir yöntem önerilmiştir. Yöntem, antenin yer uzayındaki kanşık-potansiyel integral-denklem formülasyonunun (MPIE) moment metodu (MoM) prosedürü kullanılarak çözülmesine dayanır. Yer uzayındaki MPIE, vektör ve skalar potensiyellerin yer uzayındaki Green fonksiyonlarını içerdiğinden ve literatürde sonlu ve topraklanmış dielektrik üstleç üzerine yerleştirilen noktasal kaynağın vektör ve skalar potensiyellerinin Green fonksiyonları bulunmadığından, bu tezin ana katkısı, sonlu ve topraklanmış dielektrik ortam üzerine yerleştirilen yatay elektrik dipolünün (HED) vektör ve skalar potensiyellerinin yer uzayındaki yaklaşık Green fonksiyonlarının geliştirilmesidir. Sonlu yapının yaklaşık Green fonksiyonlarını elde etmek için çok katmanlı sonsuz geometri içine yerleştirilen HED'nin kapalı-form Green fonksiyonları, sonlandınlmış kenardaki hava-dielektrik arayüzünden yansıyan yüzey dalgalarının dahil edilmesiylemodifiye edilir. Arayüzden yansıma kaysayısı, gelme açısının fonksiyonu olarak elde edilen kenar geçirişi değerleri kullanılarak bulunur. Sonra, yansıma katsayılarının kapalı-form ifadeleri genelleştirilmiş fonksiyon kalemi (GPOF) yöntemi yardımıyla elde edilir. Sonuçtaki yaklaşık Green fonksiyonları, sonsuz durumun Green fonksiyonları ile yansıyan yüzey dalga katkılarının toplanması ile elde edilir. Bu çalışmanın bir diğer katkısı sonlu yapı üzerindeki mikroşerit antenlerin MoM çözümlerinde yaklaşık Green fonksiyonlarının kullanılmasıdır. Geliştirilen yöntemle, anten üzerindeki yüzey akımının hesaplanmasında yapının sonlu olmasının etkisinin dahil edilmesi mümkün olmaktadır. Yüzey akımları antenin giriş empedansının hesaplanmasında kullanılmış ve sonuçlar literatürdeki sayısal ve ölçüm sonuçlan ile karşılaştırılmak üzere sunulmuştur. Antenin ışıma örüntüsü ve saçılım parametrelerinin de analizi yapılmış ve önerilen yöntemin verimliliği tartışmak için sayısal sonuçlar ölçüm sonuçlan ile karsılaştınlmıştır. Anahtar kelimeler: Yaklaşık Green Fonksiyonlan, Moment Metodu, Yansıyan Yüzey Dalgalan, Kenar Geçirişi, Anten Parametreleri VI

ABSTRACT CONDUCTORS ON MULTILAYER MEDIA AS RADIATING ELEMENTS Ö?ÜCÜ, Gölge Hatice PhD. in Electrical and Electronics Engineering Department Supervisor: Prof. Dr. Tuncay EGE Co-Supervisor: Assist. Prof. Dr. Lale ALATAN December 2004, 122 pages Although the microstrip antennas are placed on finite substrate and ground plane in practice, most of the analysis methods developed are based on the assumption that both the ground plane and the substrate layer are infinite. However, if the finiteness of the substrate and the ground plane is considered in the mathematical models, the characteristics of the antennas will be found more accurately. In this thesis, a method is proposed to analyze efficiently the microstrip antennas placed on a finite grounded dielectric substrate. The method is based on the solution of the spatial domain mixed- potential integral-equation (MPIE) formulation of the antenna using the method of moments (MoM) procedure. Because the spatial domain MPIE involve the Green's functions of the vector and scalar potentials spatial domain, and because the Green's functions of the vector and scalar potentials for a point source placed on a finite grounded dielectric substrate do not exist in literature, the main contribution of this thesis is the development of the approximate spatial domain closed-form Green's functions of the vector and scalar potentials for a horizontal electric dipole (HED) on a finite grounded dielectric medium. To obtain the approximate Green's functions for the finite structure, the closed- form Green's functions for a HED placed in multilayered infinite geometry are modified by including the reflected surface waves from the air-dielectric interface at the truncated edge. The reflection coefficient at the interface is found by using the iiiedge admittance values that are obtained as a function of the incident angle. The closed-form expressions of the reflection coefficients are then derived by means of generalized pencil of function (GPOF) method. The resulting approximate Green's functions are obtained as the sum of the Green's functions for the infinite case and the reflected surface wave contributions. Another contribution of this work is the use of the approximate Green's functions in the MoM solution of the microstrip patch antennas on the finite structure. By the proposed method, it is possible to include the effect of the finiteness of the structure in the calculation of the surface current density on the antenna. The surface currents are used in the computation of the input impedance of the antenna and the results are provided to be compared with the numerical and experimental results in literature. The radiation pattern and scattering parameters of the antenna are also analyzed and the numerical results are compared with the measured results to discuss the efficiency of the proposed method. Keywords: Approximate Green's Functions, Method of Moments, Reflected Surface Waves, Edge Admittance, Antenna Parameters IV