Dairesel yarık halka rezonatör metamalzemelerin anten kazancına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of circular split ring resonator metamaterials on antenna gain
Yazar: YILMAZ PARMAKSIZ
Danışman: PROF. DR. ŞÜKRÜ ÖZEN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Metamalzemeler, negatif elektriksel geçirgenliğe ve manyetik geçirgenliğe sahip
yapay yapılardır. Radyo Frekansı sektöründe birçok farklı alanda tercih edilmektedir.
Yapılan modellemeler doğrultusunda farklı karakteristik özelliklere sahip tasarımlar
ortaya çıkmaktadır.
Yapılan bu tez çalışmasında ilk aşamada numerik olarak hesaplanarak 8 GHz
merkez frekansta çalışan bir mikroşerit anten tasarımı yapılmıştır. Yapılan tasarımda
dielektrik malzeme olarak FR-4 malzeme tercih edilmiştir. Daha sonrasında optimizasyon
çalışmaları ile istenilen tasarım tamamlanmıştır. Mikroşerit anten tasarımının
tamamlanmasıyla bir sonraki aşamada anten uygulamalarında da tercih edilen Dairesel
Yarık Halka Rezonatör tasarımı yapılmıştır. Yapılan bu tasarım 7.7 GHz - 8.3 GHz
frekans aralığında negatif elektriksel geçirgenlik ve manyetik geçirgenliğe sahiptir.
Dairesel Yarık Halka Rezonatör yapısında mikroşerit anten tasarımında da olduğu gibi
FR-4 dielektrik malzeme kullanılmıştır. Yapılan metamalzeme tasarımı ile 6×7 bir yapı
oluşturulup mikroşerit anten ile arasında 6 mm olacak şekilde analiz edilmiştir. Projenin
özgün yanını da yansıtan 6×7 yapıya zemin düzlemi optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan
optimizasyon ile en yüksek anten kazancı 2.5 mm uzunluğunda bakır yapılar
eklenmesiyle meydana gelmiştir. Yapılan optimizasyon ve analiz sonuçlarında mikroşerit
antenin kazancı yaklaşık 2.04 dBi'den 3.02 dBi'ye yükselmiştir. Gerçekleştirilen analiz
ve optimizasyon çalışmaları CST Microwave Studio programı kullanılarak yapılmıştır.
Yapılan bu tasarım ve optimizasyon çalışmaları ile, metamalzeme ve zemin
düzlem yapılarının kullanılmasının mikroşerit antenin geri dönüş kaybı, duran dalga
oranı, kazanç, ışıma örüntüsü gibi anten parametrelerinin etkisi analiz edilmiştir.
Literatürde birçok metamalzeme yapısının anten uygulamalarına etkisi üzerine
çalışmalar bulunmaktadır. Yapılan araştırmalarda, metamalzeme yapısındaki zemin
düzleminin anten kazancına etkisi üzerine ek bir çalışma bulunmamaktadır. Ancak
yapılan bu tez çalışması ile metamalzemelerin anten uygulamaları konularında zemin
düzlemi optimizasyonunun sağlanmasıyla anten kazancında artış meydana gelebileceği
ifade edilmiştir. Özellikle teknolojik gelişmelerle birlikte anten tasarımları üzerine
çalışmaların artarak devam edeceği düşünülmektedir. Bu tez çalışmasının ileride
yapılacak metamalzeme ve anten tasarımlarına önemli bir katkı sağlayacağı
öngörülmektedir.

Abstract:
Metamaterials are artificial structures with negative permittivity and permeability.
It is preferred in many different areas in the Radio Frequency industry. In line with the
modeling made, designs with different characteristics emerge.
In this thesis study, a microstrip antenna operating at 8 GHz center frequency was
designed by numerical calculation in the first stage. FR-4 material was preferred as the
dielectric material in the design. Afterwards, the desired design was completed with
optimization studies. With the completion of the microstrip antenna design, the Circular
Split Ring Resonator design, which is also preferred in antenna applications, was made
in the next stage. This design has negative permittivity and permeability in the frequency
range of 7.7 GHz - 8.3 GHz. FR-4 dielectric material is used in the Circular Split Ring
Resonator structure, as in the microstrip antenna design. With the metamaterial design, a
6×7 structure was created and analyzed with a distance of 6 mm from the microstrip
antenna. Ground plane optimization was performed on 6×7 structure, which also reflects
the unique aspect of the project. With the optimization, the highest antenna gain was
achieved by adding 2.5 mm long copper structures. As a result of the optimization and
analysis, the gain of the microstrip antenna increased from approximately 2.04 dBi to
3.02 dBi. The analysis and optimization studies were carried out using the CST
Microwave Studio program.
With these design and optimization studies, the effect of using metamaterial and
ground plane structures on antenna parameters such as return loss, standing wave ratio,
gain and radiation pattern of the microstrip antenna was analyzed.
In the literature, there are studies on the effects of many metamaterial structures
on antenna applications. In the research conducted, there is no additional study on the
effect of the ground plane in the metamaterial structure on the antenna gain. However,
with this thesis study, it has been stated that antenna gain can be increased by ensuring
ground plane optimization in antenna applications of metamaterials. It is thought that
studies on antenna designs will continue to increase, especially with technological
developments. It is anticipated that this thesis will make a significant contribution to
future metamaterial and antenna designs.