Görüntüleme dizileri için süperiletken mikroşerit yama anten tasarımı ve testi
Design and test of superconductor microstrip patch antenna for imaging arrays
Yazar: ARAL ERTUĞ ZORKUN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ BOZBEY
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Anten, elektromanyetik dalgaları belirli bir örüntüde yayan veya algılayan metalik
yapıya sahip bir aygıttır. Antenler farklı geometrik yapılarda olup, günümüzde birçok
farklı uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Görüntüleme sistemleri de antenlerin
başlıca kullanıldığı uygulama alanlarından biridir. Artan isterler ve buna bağlı olarak
gelişen teknoloji ile günümüzde bu sistemlerin az alan kaplaması beklenmektedir. Bu
nedenle çoğu görüntüleme sistemi elektronik yonga üzerinde veya düşük alanlı baskı
devre kartları üzerine entegre edilir. Sistem üzerinde bulunan dizilerdeki antenlerin
yüksek frekanslarda güç kayıplarının az olması, geniş ve birden fazla frekans
bandında çalışması ve kolay üretilebilir olması istenmektedir. Süperiletken
mikroşerit yama antenlerin görüntüleme dizilerinde kullanılması radyo
frekanslarında daha az güç kaybına sahip elektriksel olarak küçük antenlerin
tasarımına olanak sağlar. Bu birçok mevcut süperiletken yama antende sağlanan bir
durumdur fakat bu antenlerin geniş ve birden fazla frekans bandında çalışması
üzerine çok az çalışma yapılmıştır. Çalışmada, süperiletkenlerde yüzey empedansı ve
süperiletken yama antenler için rezonans frekansı hesaplama teknikleri kullanılarak 
bir süperiletken mikroşerit yama anten tasarımı yapılmıştır. Bu anten, 2.7×2.7 mm
alana sahip, 18 GHz rezonans frekansına ve antenin üzerinde bulunduğu tabakanın
dielektrik katsayısına göre elektriksel dalga boyu 0.32λ olan bir antendir. Bu
tasarımda fraktal alan eksiltme yöntemi ile yonga üzerinde bulunan alanda antenin
sahip olduğu frekans bandının genişliği arttırılmıştır. Anten için tasarım sonuçlarını
görebilmek ve gerekli optimizasyonları yapabilmek için üç boyutlu bir
elektromanyetik benzetim programı kullanılmıştır. Benzetim sonuçlarından, anten
kazancı, anten yön duyarlılığı ve anten paterni gibi anten paremetreleri
değerlendirilmiştir. Sonraki adımda ise optimizasyon sonuçlarına göre kabul
edilebilir değerleri sağlayan boyutlara sahip anten AIST-STP2 standart üretim
sürecine göre ürettirilmiştir. Son olarak, üretilmiş olan anten için test düzenekleri
kurulup benzetim sonuçları ve ölçüm sonuçlarının uyumluluğu gösterilmiştir. Bu
tasarım ile görüntüleme dizileri için süperiletken mikroşerit yama antenlerin için
daha az kayba ve daha geniş frekans bandına sahip olmaları sağlanmıştır.

Abstract:
Antenna is a device that has a metallic structure that emits or detects electromagnetic
waves in a certain pattern. The antennas are in different geometrical structures and
are used in many different applications today. Imaging systems are also one of the
applications where antennas are mainly used. Due to the increasing demand and the
technology that develops accordingly, it is expected that these systems occupy less
area today. For this reason most imaging systems are integrated on an electronic chip
or on low-area printed circuit boards. The antennas in the system are required to have
low power losses at high frequencies, to work in wide and multiple frequency bands,
and to be easily produced. The use of superconducting microstrip patch antennas in
imaging arrays allows the design of electrically small antennas with less power loss
in radio frequencies. This is a situation where many existing superconducting patches
are available, but a few work has been done on the operation of these antennas in
large frequency band-widths and multiple frequency bands. In the study, a
superconducting microstrip patch antenna was designed using surface impedance in
superconductors and resonance frequency calculation techniques for superconducting 
pacth antennas. This antenna has a resonance frequency of 18 GHz with an area of
2.7×2.7 mm
 and an electrical wavelength of 0.32λ according to the dielectric
coefficient of substrate which the antenna placed on. In this design, the bandwidth of
the frequency band that the antenna on the chip has is increased by the fractal area
subtraction method. A three-dimensional electromagnetic simulation program has
been used to see the design results for the antenna and to make the necessary
optimizations. From the simulation results, antenna parameters such as antenna gain,
antenna directivity and antenna pattern were evaluated. In the next step, the antenna
which has acceptable dimensions according to the optimization results, is
manufactured according to the AIST-STP2 standard production process. Finally, test
equipments for the manufactured antenna are installed and the simulation results and
the compatibility of the measurement results are shown. This design ensures that
superconducting microstrip patch antennas for imaging arrays have less loss and a
wider frequency band.