Yeni nesil kablosuz iletişim sistemleri için anten tasarımı ve özgül soğurma oranı analizi
Design of antenna and specific absorption rate analysis for next generation wireless communication systems
Yazar: AHMET TURGUT
Danışman: DOÇ. DR. BEGÜM KORUNUR ENGİZ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mobil cihazların hayatımızdaki önemi arttıkça, bu cihazların radyo sinyal iletim performansını artırmak, büyük bir araştırma alanı haline gelmiştir. Bu bağlamda, çoklu giriş çoklu çıkış (Multiple Input Multiple Output - MIMO) anten teknolojileri, sistem kapasitesini artırarak ve çok yollu sönümleme etkilerini azaltarak radyo sinyal iletim performansını artırmada önemli bir rol oynamaktadır. Bu tez çalışmasında, belirli bir algoritma temelinde tasarımı gerçekleştirilen, Uzun Süreli Gelişim (Long Term Evolution - LTE) bantları 42, 43 ve 46'da çalışan beşinci nesil (Fifth Generation - 5G) akıllı telefonlarla uyumlu bir yoğun MIMO (m-MIMO) anten dizisinin tasarım aşamaları sunulmuştur. Tasarım aşamasında, on portlu m-MIMO anten dizisindeki her bir anten elemanının, belirtilen üç LTE bandını mükemmel bir şekilde kapsaması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda kullanılan optimizasyon algoritmaları arasında, Nelder Mead Simpleks Algoritması (Nelder Mead Simplex Algorithm - NMSA), Parçacık Sürü Optimizasyonu (Particle Swarm Optimization - PSO), Kovaryans Matrisi Uyarlaması ile Evrim Stratejisi (Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy - CMA-ES) ve Güven Bölgesi Çerçevesi (Trust Region Framework - TRF) bulunmaktadır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda en iyi performansı sağlayan TRF algoritmasıyla m-MIMO anten dizisinin tasarımı tamamlanmıştır. Ardından anten dizisinin prototipi üretilerek her bir anten elemanının yansıma katsayıları ölçülmüştür. Ölçülen yansıma katsayıları, anten elemanlarının, istenen alt bandı (LTE 42,43), Gerilim Duran Dalga Oranı (Voltage Standing Wave Ratio – VSWR)=3 için tamamen kapsayan empedans bant genişliklerine sahip olduğunu göstermektedir. Üst bantta ise (LTE 46) hedeflenen rezonans frekanslarında, benzetime göre en yüksek %10,34'lük sapma gözlemlenmiştir.
Bununla birlikte, 5G mobil iletişim uygulamaları için çift bantlı bir modüler MIMO antenin tasarım ve analiz süreci sunulmuştur. Bu MIMO anten, 28 ve 38 GHz frekans bantlarında çalışmakta olup, bileşenlerinin nihai boyutlarını belirlemek için NMSA, PSO, CMA-ES, TRF, Enterpolasyonlu Quasi-Newton Algoritması (Interpolated Quasi-Newton Algorithm - IQN), Genetik Algoritma (Genetic Algorithm - GA) ve Klasik Powell (Classic Powell - CP) optimizasyon algoritmaları kullanılmıştır. Tasarım ve optimizasyonla ilişkilendirilen maliyetlerin önemli ölçüde azaltılmasının hedeflendiği tasarımda, yedi farklı algoritmadan CP algoritması en başarılı sonuçların elde edilmesini sağlamıştır. CP algoritması ile küçük boyutlardaki anten bileşen ve yuvalarının başarılı bir şekilde birleşimi sağlanırken, belirtilen frekanslarda (28 ve 38 GHz) MIMO anten rezonansı, frekanslarda kayma olmaksızın elde edilmiştir. CST programı kullanılarak elde edilen benzetim sonuçları, VSWR=2 için tasarlanan MIMO antenin 27.587-28.432 GHz (%3.01 bağıl bant genişliği) ve 37.405-38.504 GHz (%2.89 bağıl bant genişliği) arasında bir bant genişliği sergilediğini göstermektedir. Ayrıca, tasarlanan dört portlu bu antenden 28 GHz'de 8.126 dBi ve 38 GHz'de 7.418 dBi kazanç elde edilmiştir. Tasarımı tamamlanan MIMO antenin prototipi üretilerek her bir anten elemanının yansıma katsayıları ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarına göre, alt bantta hedeflenen rezonans frekansına göre dört anten elemanı için maksimum %2.39'luk bir sapma gözlemlenirken, üst bantta bu değer %2.97'dir. Elde edilen bulgular, önerilen MIMO antenin, milimetre dalga (Millimeter Wave - mmW) frekans bandında MIMO teknolojisini kullanan iletişim sistemleri için uygulanabilir bir çözüm sunduğunu göstermektedir.
Tez çalışması kapsamında, MIMO antenlerin sağlık üzerindeki etkilerine dair araştırmaların, gelişimlerini ve yönelimlerini anlamak amacıyla, 2004'ten 2023'e kadar olan dönemde Web of Science veritabanında yayımlanan literatür üzerine bir bibliyometrik analiz gerçekleştirilmiştir. Analiz, antenlerin sağlık etkilerini incelemek için kullanılan Özgül Emilim Oranı (Specific Absorption Rate - SAR) ve Emilen Güç Yoğunluğu (Absorbed Power Density - Sab) gibi dozimetrik parametrelerin kapsamlı bir incelemesini sunmaktadır. Ayrıca, 6 GHz altı frekanslarda çalışan m-MIMO anten tasarımı için hesaplamalı insan modelleri kullanılarak SAR analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analiz sonucunda, m-MIMO antenin SAR değerlerinin Uluslararası İyonize Olmayan Radyasyondan Korunma Komisyonu (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection - ICNIRP) tarafından belirlenen uluslararası standartlarla uyumlu olduğu doğrulanmıştır.

Abstract:
As the importance of mobile devices in everyday life continues to grow, improving their radio signal transmission performance has become a significant research area. In this context, Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna technologies play a crucial role in enhancing radio signal transmission performance by increasing system capacity and mitigating multipath fading effects. In this thesis, the design stages of a massive MIMO (m-MIMO) antenna array—compatible with fifth-generation (5G) smartphones operating in Long Term Evolution (LTE) bands 42, 43, and 46—are presented. During the design phase, each antenna element in the ten-port m-MIMO antenna array was aimed to cover the three specified LTE bands perfectly. The optimization algorithms employed in this process include the Nelder–Mead Simplex Algorithm (NMSA), Particle Swarm Optimization (PSO), Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES), and the Trust Region Framework (TRF). Based on the comparisons performed, the design of the m-MIMO antenna array was finalized using the TRF algorithm, which yielded the best performance. Subsequently, a prototype of the antenna array was fabricated, and the reflection coefficients of each antenna element were measured. The measured reflection coefficients demonstrate that each antenna element possesses impedance bandwidths that fully cover the intended lower band (LTE 42, 43) for Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)=3. In the upper band (LTE 46), the maximum deviation from the simulated resonance frequencies was 10.34%.
Moreover, the design and analysis process of a dual-band modular MIMO antenna for 5G mobile communication applications is presented. This MIMO antenna operates at 28 GHz and 38 GHz, and its final component dimensions were determined using NMSA, PSO, CMA-ES, TRF, the Interpolated Quasi-Newton Algorithm (IQN), the Genetic Algorithm (GA), and the Classic Powell (CP) optimization algorithms. Aiming to substantially reduce the costs associated with design and optimization, the CP algorithm—among seven different algorithms—delivered the most successful results. By employing the CP algorithm, the small-sized antenna components and slots were effectively combined, achieving resonance at 28 GHz and 38 GHz without any shift in frequency. Simulation results obtained via CST software show that the designed MIMO antenna, for VSWR = 2, exhibits bandwidths ranging from 27.587 to 28.432 GHz (a 3.01% relative bandwidth) and from 37.405 to 38.504 GHz (a 2.89% relative bandwidth). Furthermore, the four-port antenna achieves gains of 8.126 dBi at 28 GHz and 7.418 dBi at 38 GHz. Following the completion of the design, the MIMO antenna prototype was fabricated, and the reflection coefficients of each antenna element were measured. According to the measurement results, the maximum deviation from the targeted resonance frequency in the lower band for four antenna elements was 2.39%, whereas in the upper band this value was 2.97%. These findings indicate that the proposed MIMO antenna provides a viable solution for communication systems utilizing MIMO technology in the millimeter-wave (mmW) frequency range.
Within the scope of this thesis, a bibliometric analysis of literature published in the Web of Science database from 2004 to 2023 was conducted to examine the health impacts of MIMO antennas and to identify emerging trends and developments in this field. The analysis provides a comprehensive overview of dosimetric parameters, such as Specific Absorption Rate (SAR) and Absorbed Power Density (Sab), which are commonly employed to investigate the health effects of antennas. Additionally, an SAR analysis was carried out using computational human models for an m-MIMO antenna operating below 6 GHz. The results confirmed that the SAR values of the m-MIMO antenna comply with the international standards stipulated by the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP).