Dizi yama anten tasarımında yapay sinir ağları kullanarak anten parametrelerinin hesaplanması

Abstract

Günümüzde mobil haberleşme sistemleri, mekanlardan bağımsız olması, kullanıcıların özgürce hareket edebilmesi ve özelikle yüksek performans gerektiren tıp, radar, uydu, uçak ve füze haberleşme uygulamaları gibi pek çok sahada sıklıkla tercih edilmektedir. Mobil haberleşme sistemlerinin her geçen gün gelişmesiyle de beraberinde, yüksek performans ve band genişliği ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, mobil cihazların aynı anda ve hareketli ortamlarda kullanılmasının tercih edilmesi, taşınabilir boyutlarda tasarlanmalarına ve uzun süre dayanacak güç kaynaklarına ihtiyaç duymalarına neden olmuştur. Bu sebeple mobil cihazlarda kullanılan elemanların da özellikle antenlerin, düşük güç tüketimine sahip, küçük boyutlu ve yüksek bant ihtiyacını karşılayabilecek özelliklerde olmaları arzu edilmektedir. Tek elemanlı bir antenin ışıma örüntüsü nispeten geniştir ama buna karşın tek bir elemanın kazancı düşük değerlerde olacaktır. Uzak mesafeli haberleşmenin ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla çoğu uygulamalarda yüksek kazançlı antenlerin tasarlanması gerekmektedir. Bu sebeple, daha yüksek performans gerektiren durumlarda dizi antenler tercih edilmektedir. Dizi antenlerde gerekli parametrelerde iyileştirmeler yapılmak suretiyle istenilen ışıma örüntüsü elde edilebilir. Böylelikle hem kazanç, hem yönlendiricilik ve hem de band genişliği artırılmış olacaktır. Bu tez çalışmasında ise tek elemanlı antenlerle çok elemanlı antenlerin performansları birlikte değerlendirilmiştir. Bu amaçla tek elemanlı çalışmaların yanında 1x2, 1x3, 1x4 gibi mikroşerit dizi yama yapılar tasarlanmış, geri dönüş kaybı, band genişliği, kazanç, yönlendiricilik ve ışıma verimi gibi elektriksel parametreleri iyileştirilmeye çalışılmıştır. Simülasyonları yapılarak elde edilen antenlerin en iyi performanslı yapıları üretilmiş ve deneysel sonuçları değerlendirilmiştir.Tez çalışmada ilk olarak kablosuz hızlı internet erişimi WiMax için 2500 MHz frekansında çalışan dikdörtgen kesitli 1x4 mikroşerit dizi anten tasarlanarak üretimi yapılmıştır. Sonrasında, VSAT (Very Small Aperture Terminal), radyometrik yer bazlı yangın algılama, mikro elektromekanik sistemler, hafif radarlar gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılan ve bir Ku band uygulaması olan 16 GHz frekansında 1x4 mikroşerit dizi anten tasarlanarak üretimi yapılmıştır. Son olarak, GPS, bluetooth, doğrudan sayısal yayın, uydu haberleşmesi, modern kablosuz el cihazları, hücresel ses ve veri, Wi-Fi, GPS gibi kablosuz haberleşme ve akıllı telefonlar gibi birden fazla frekansta çalışabilen, üçlü band genişliğine sahip, 2500-3000-5000 MHz frekanslı 1x3 bir dizi mikroşerit anten tasarlanmış ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca simülasyonları ve üretimleri yapılan mikroşerit yapıların fiziksel ve elektriksel performanslarını iyileştirme amaçlı yapay sinir ağları (YSA) kullanılmış, sonuçları değerlendirilmiştir. Çalışmalarda elektromanyetik yapıları sonlu elemanlar yöntemi ile çözüm yapan HFSS (High Frequency Structural Simulator) yazılımsal simulasyon programı kullanılmıştır. Ölçümler ise deney düzenekleri hazırlanmış bir laboratuvar ortamında Network Analizör kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Çalışmalarda tasarımları ve üretimleri yapılan antenlerin en iyi elektriksel parametrelerinin performanslarını belirleyebilmek için mümkün olabilecek çok sayıda anten simüle edilmiştir. Ayrıca Ku band 16 GHz üretiminde, boyut küçültülmesi çalışması yapılarak literatürdeki benzer çalışmaya göre çok iyi sonuçlar alınmıştır. Üç band 2500-3000-5000 MHz rezonans frekanslı 1x3 mikroşerit dizi anten çalışması ise literatüre yeni kazandırılmış bir çalışmadır. Elektriksel sonuçları ve fiziksel boyutları itibariyle de endüstriyel sahada kullanılabilecek başarılı bir ürün ortaya çıkarılmıştır.

Today, mobile communication systems are often preferred in many fields, such as being independent of the space, allowing users to move freely, and especially in applications such as medicine, radar, satellite, airplane and missile communication applications which require high performance. With the ever-evolving mobile communication systems, the need for high performance and bandwidth has emerged. Nevertheless, the preference for mobile devices to be used in the same and moving environments has led to the need for portable size designs and long-lasting power supplies. For this reason, it is desirable that the elements used in mobile devices, especially antennas, should be capable of meeting the small size and high bandwidth requirement with low power consumption.The radiation pattern of a single element antenna is relatively broad, but the gain of a single element is low. In order to meet the needs of long distance messengers, many applications require high gain antennas to be designed. For this reason, array antennas are preferred in situations where higher performance is required. The desired radiation pattern can be obtained by making improvements to the required parameters in array antennas. In this way, both gain and directivity and bandwidth will be increased. In this thesis study, the performances of single element antennas and multi element antennas are evaluated together. For this purpose, microstrip array patches such as 1x2, 1x3, 1x4 have been designed besides single element works and electrical parameters such as loss of return, band width, gain, directivity and radiation efficiency have been tried to be improved. The best performance of the antennas obtained by simulations was produced and the experimental results were evaluated. In the thesis study, firstly, a rectangle sectioned 1x4 microstrip array antennas operating at a frequency of 2500 MHz for wireless high speed internet access WiMax was designed and manufactured. Subsequently, a 16 GHz frequency 1x4 microstrip array antennas, which is widely used in applications such as VSAT (Very Small Aperture Terminal), radiometric ground based fire detection, micro electromechanical systems, light radars, was designed and manufactured. Finally, we have developed a triple-band, 2500-3000-band wireless communication system that can operate on multiple frequencies, such as GPS, Bluetooth, direct digital transmission, satellite communications, modern wireless handsets, cellular voice and data, wireless communications such as Wi- Fi series of 1x3 microstrip antennas with a frequency of 5000 MHz were designed and fabricated. In addition, artificial neural networks (YSA) were used to improve the physical and electrical performances of the microstrip structures constructed and simulated, and the results were evaluated. In the study, HFSS (High Frequency Structural Simulator) software simulation program which solves the electromagnetic structures with the finite element method is used. Measurements were made using a Network Analyser in a laboratory environment with experimental setups. Numerous antennas have been simulated in studies that may be possible to determine the performances of the best electrical parameters of designs and manufactured antennas. In addition, in Ku-band 16 GHz production, size reduction work was carried out and very good results were obtained according to similar studies in the literature. The study of triple band 1x3 microstrip array antenna with frequency of 2500-3000-5000 MHz is a newly acquired work in the literature. A successful product was obtained that can be used in the industrial field due to its electrical results and physical dimensions.