Anten ve toplayıcı sistemlerde metamateryallerin kullanılması
Use of metamaterials on antennas and reflectors
Yazar: BİLAL TÜTÜNCÜ
Danışman: DOÇ. DR. HAMİD TORPİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz haberleşme ve mobil iletişim sistemlerinde sıklıkla kullanılan mikroşerit yama antenlerin yönlendirici kazancını artırmak için kullanılan en klasik yöntem dizi anten tasarlamaktır. Fakat bu yöntemin temel iki dezavantajı; elemanlar arası kuplaj ve her elemanı ayrı besleme problemidir. Bu tez çalışması, Ku Bandında (12 GHz) mikroşerit yama antenin yönlendirici kazancını iyileştirmek için ayrı bir üsttaş metamateryal (MM) lens katmanı kullanmayı önermektedir. Bunun için öncelikle Ku-Bandında çalışan bir mikroşerit yama anten tasarlandı. Daha sonra lens olarak kullanılacak metamateryallerin birim hücre yapıları Ku bantta metamateryal karakteristiği gösterecek şekilde tasarlandı ve ölçeklendirildi. Ayrıca birim hücre metamateryal yapılardaki endüktif ve kapasitif etkiye sebebiyet veren geometrik ayrıntıların iletim bandına etkisi incelendi. Birim hücre yapıların ortam parametrelerinin her ikisininde (є,μ) Ku bantta negatif olduğunu doğrulamak için Robust metodu kullanılarak MATLAB'da eğrileri çizdirildi. Daha sonra elde edilen bu birim hücre metamateryal yapıları periyodik lens katmanına dönüştürmek için dielektrik katmanda en uygun dağılım kombinasyonu, referans antene optimum uzaklığı ve gelen dalga ile yapacağı en uygun açı değerleri tespit edildi ve her beş farklı metamateryal lens bu değerlere göre kullanıldı. Simülasyon ve tasarımlar CST'de, üretim ve laboratuvar ölçümleri ise Yıldız Teknik Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme bölümü RF ve Mikrodalga Laboratuvarında gerçekleştirildi. Ölçüm sonuçlarının bilgisayar simülasyonlarıyla yakın olduğu ve her iki durumda da referans anten yönlendirici kazancında iyileştirme olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, anten yönlendirici kazancındaki artım ile paralel olarak HPBW'de de azalma olduğu tespit edilmiştir. 
Son olarak 29.75 GHz Ka band verici frekansında çalışan bir parabolik reflektör anten tasarlandı ve beslemesi için bir ofset horn anten kullanılarak simülasyonu yapıldı ve yönlendirici kazanç ışıma örüntüsü çizdirildi. Daha sonra aynı frekans bölgesinde DNG özelliği gösterecek şekilde omega yapıda bir MM lens katmanı tasarlanarak horn antenin iç kısmında kullanıldı ve uzak alan ışıma örüntüsü tekrar çizdirildi. Simülasyon sonuçlarına göre MM lens kullanınca besleme horn antenin yönlendirici kazancında +3.7 dB'lik bir artış ve HPBW'de ise 4.3° bir daralma gözlemlendi.

Abstract:
The common classical method that is used to improve the directivity gain of microstrip patch antennas, which are frequently used in wireless and mobile communication systems, is to design the array antennas. But the main two disadvantages of this method are; coupling between each element and the feeding of each antenna. This thesis proposes using of a separate superstrate metamaterial (MM) lens layer to enhance the directivity gain of the microstrip patch antenna in the Ku Band (12 GHz). Initially, a microstrip patch antenna is designed at Ku-Band. Later, the unit cell structures of the metamaterials are designed and scaled to show the metamaterial characterization in the Ku band. Furthermore, the geometric details on the unit cells of the metamaterials leading to the inductive and capacitive effects, is investigated. Є and μ curves of the unit cells are plotted in MATLAB by utilizing the Robust method to verify that both media parameters (є,μ) are negative at Ku band. In order to convert the unit cell metamaterial structures into a periodic lens layer, the optimal distribution in the dielectric layer, the optimum distance to the reference antenna and the optimum angle with the incident wave are determined and the five different metamaterial lenses are used according to these values. Simulations and designs are carried out in CST, and production and laboratory measurements are carried out in the RF and Microwave Laboratory of Electronics and Communication Department at Yıldız Technical University. It has been observed that the measurement results are close to computer simulations and that in both cases there is an improvement in the reference antenna directivity gain. In addition, parallel to the increase in the directivity gain of the reference antenna, the HPBW is also found to be decreasing as an evidence of increase in the directivity.
Finally, an offset horn feed parabolic reflector antenna operating at 29.75 GHz Ka band transmitter frequency, is designed, simulated and the directivity radiation pattern is plotted. Then an omega MM lens layer is designed to show DNG characteristic in the same frequency range and used inside the horn antenna and the far field radiation pattern was replotted. According to the simulation results, when the MM lens is used, an increase of +3.7 dB in the directivity and a 4.3 ° decrease in the HPBW of the feed horn antenna, is observed.