Tekstil metamalzemeler ve uygulamaları
Textile metamaterials and applications
Yazar: ESRA ÇELENK
Danışman: PROF. DR. NURHAN TÜRKER TOKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten = Antenna ; Bröve = Badge ; Dalga kılavuzları = Waveguides ; Tekstil malzemeleri = Textile materials

Özet:
Sağlık uygulamalarından askeri uygulamalara kadar geniş bir alanda kullanılan ve giysilere entegre edilen tekstil antenler giysilerin işlevselliğini koruyacak şekilde tasarlanmalıdır. Bu tez çalışmasında, askeri uygulamalar, radar uygulamaları, kablosuz iletişim uygulamaları, orta-band 5G uygulamalarında kullanılmak üzere üç farklı tekstil anten önerilmiştir.
Birinci çalışmada, düzgün yarıklara sahip yüzey uyumlu bir enine yarıklı TEDK metamalzeme sızıntı dalga anten tasarımı incelenmiştir. Düzlemsel ve kavisli TEDK antenin metamalzeme özelliği araştırılmıştır. Bu antenlerin enine yarıkları, frekansın fonksiyonu olarak ışının yönünü kontrol eden CRLH metamalzeme yapısını oluşturmaktadır. 28-62 GHz'de hüzme yönlendirme kabiliyeti olan düzlemsel antenin kavisli versiyonunda yaklaşık 〖80〗^o  ışın taraması elde edilirken, düzlemsel versiyonda 〖110〗^o ışın yönlendirmesi elde edilmektedir. Teorik analiz ve simülasyon sonuçları, 28-40 GHz bandında deneysel sonuçlarla başarılı bir şekilde doğrulanmıştır. Ayrıca balistik malzemeden yapılmış askeri kask üzerindeki yüzey uyumlu TEDK metamalzeme antenin pratik bir örneği gösterilmiştir.
İkinci çalışmada, askeri uygulamalar için tamamı tekstil boşluk destekli TEDK anteni önerilmiştir. Anten, standart askeri bröve boyutuna uygundur. X-bandında çalışan uçak şeklindeki bröve anten, hava kuvvetleri için tasarlanmıştır. Anten %26 bant genişliği ile 8 GHz'de rezonansa girmek olup 6.7 dBi ve %89.5 kazanç ve verimliliğe sahiptir. Antenin performansı, kavisli yüzeylerde de incelenmiştir. Ayrıca yapılan SAR analizi ile antenin vücut üstü kullanım için uygun olduğunu gösterilmiştir. Bröve anteni, standart tekstil üretim teknikleri ile üretilmiş ve ölçülmüştür. Standart tekstil imalat teknikleri ile montaj ve imalat için standart hazır parçaların kullanılması, önerilen bröve anteninin basit ve uygun maliyetli seri üretimini sağlamaktadır.
Üçüncü çalışmada, WBAN/WLAN ve orta bant 5G uygulamaları için tamamen tekstil yıkanabilir yeni bir metayüzey anteni gümüş e-iplik ve polyester dielektrik malzeme ile tasarlanmıştır. Metayüzey anten, dairesel yama anteninin üst düzleminin sol el özelliği gösteren SRR metamalzemesi ile kaplanması ile elde edilmektedir. 4x1 ve 4x2 SRR'lerden oluşan metamalzeme dizileri, dairesel yamanın her iki yanına yerleştirilmiştir. Tasarlanan metayüzeyli dairesel yama antenin verimi %74'ten %94.5'e, kazancı 6.81 dBi'den 9.43 dBi'ye yükseltilmiştir.

Abstract:
Textile antennas that are used in a wide range of applications from healthcare to military are integrated into clothes. Thus, they must maintain the functionality of the clothing. In this thesis, three different textile antennas have been proposed for use in military, radar, wireless communication and mid-band 5G applications.
In the first study, a conformal transverse slotted SIW metamaterial leaky-wave antenna with uniform slots is investigated. The metamaterial properties of the antenna in the planar and curved versions were investigated. The transverse slots of these antennas form a CRLH metamaterial structure that controls the direction of the beam as the function of frequency. The conformal antenna scans the beam approximately 〖80 〗^o within 28-62 GHz, whereas 〖110〗^o   beam steering is achieved with the planar version. The theoretical analysis and simulation results have been successfully validated with experimental results in the 28-40 GHz band. A practical example of the compatible SIW metamaterial antenna on a military helmet made of ballistic material is demonstrated, as well.
In the second study, an all-textile cavity-backed SIW antenna is proposed for military applications. Antenna fits standard military badge size. The aircraft-shaped badge antenna that works in the X-band is designed for the air force. The antenna is resonating at 8 GHz with 26% bandwidth and has 6.7 dBi and 89.5% gain and efficiency. The performance of the antenna has been investigated on conformal surfaces, as well. In addition, the SAR analysis of the antenna proved that the antenna is suitable for on-body use. The badge antenna is fabricated with standard textile fabrication techniques and measured. Usage of standard off-the-shelf parts for the assembly and fabrication with standard textile fabrication techniques enables simple and cost-effective mass production of the proposed badge antenna.
In the third study, a new all-textile washable metasurface antenna for WBAN/WLAN and midband 5G applications is designed with silver e-thread and polyester dielectric material. Metasurface antenna is obtained by covering the top plane of the circular patch antenna with SRR metamaterial that shows left-hand characteristics. The metasurface arrays consisting of 4x1 and 4x2 SRRs are placed on the antenna surface to both sides of the circular patch. With the designed metasurface, the efficiency has been increased from 74% to 94.5% and the antenna gain has been increased from 6.81 dBi to 9.43 dBi.