Açıklık bağlaşımlı mikroşerit yama antenin metayüzeyden esinlenen kusurlu toprak yapısı ile minyatürleştirilmesi
Miniaturization of aperture-coupled patch antennas through metasurface inspired defected ground structure
Yazar: OSMAN KAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HİLAL KOÇ POLAT
Erzurum Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Küp uydu = Cubesat ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas ; Minyatürizasyon = Miniaturization

Özet:
Bu   tez çalışmasında, küp uydu uygulamalarında kullanılmak üzere kompakt bir mikroşerit yama anteni tasarımı amaçlanmıştır. Tasarım olarak açıklık bağlaşımlı beslemeli mikroşerit yama anteni (ACMA) tercih edilmiştir. Öncelikle, ACMA yama ve besleme alt tabakalarının dielektrik değerlerinin minyatürleşme ve ACMA ışıma performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Bunun için farklı dielektrik katsayılarına sahip FR4, RO5880, RO3010 ve RO4360 malzemeleri kullanılarak 8,0 GHz frekansında çalışan FR4-FR4, RT5880-RT5880, RT5880-RO3010 ve RO4360-RO3010 antenleri CST Microwave Studio programı ile tasarlanmıştır. En küçük boyut, dielektrik sabiti en yüksek olan yama alt tabakası ile elde edildiği ve katmalar arasında dielektrik sabiti farkının fazla olduğu durumda anten performansın daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Daha sonra, 8,0 GHz frekansı için tasarlanan RO4360-RO3010 ve FR4-FR4 antenlerinin toprak düzlemine metayüzeyden esinlenen kusurlu toprak yapısı (DGS) eklenerek anten çalışma frekansı daha düşük frekanslara (6,0 GHz altına) indirilmeye çalışılmıştır. Bu yöntem sayesinde, RO4360-RO3010 antenin çalışma frekansı 7,954 GHz' den 5,64 GHz'e düşürülerek frekansa bağlı %30 oranında küçülme elde edilmiştir. FR4-FR4 anteninin çalışma frekansı ise 8,031 GHz' den 5,095 GHz' e düşürülerek frekansa bağlı %36 oranında küçülme elde edilmiştir. Buna ek olarak, 5,1 GHz frekansında geleneksel bir FR4-FR4 anteni tasarlanarak minyatürleşmiş FR4-FR4 anteni ile karşılaştırılması yapılmıştır. Geleneksel antenin alanı 1890 mm2 iken minyatürleşmiş anten 622 mm2 alana sahiptir. Bu ise, yaklaşık olarak %67 oranında küçülmeye denk gelmektedir. Sonuç olarak, kazanç bakımından geleneksel antenin değeri %30 daha iyi iken, bant genişliği minyatürleşmiş antende daha fazla olduğu görülmüştür. Ayrıca bu tez kapsamında ninyatürleşmiş FR4-FR4 anteninin üretimi gerçekleştirilerek S11 parametrelerinin ölçüm sonuçları ile benzetim sonuçlarının uyumlu olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
The purpose of this thesis is to design a compact microstrip patch antenna for cubesat applications. Aperture coupled fed microstrip patch antenna (ACMA) has been preferred as a design. First of all, the effect of the dielectric constant of ACMA's patch and feed substrates on miniaturization and ACMA radiation performance was examined. For this, the following four antenna were designed at 8.0 GHz frequency using materials with different dielectric coefficients in the CST Microwave Studio program; FR4-FR4, RT5880-RT5880, RT5880-RO3010, RO4360-RO3010. It is observed that the smallest size is obtained with the substrate with the highest dielectric constant and the performance is better when the dielectric constant difference between the layers is high. In the next stage, an attempt was made to reduce the antenna operating frequency to lower frequencies (below 6.0 GHz) by adding a metasurface-inspired defective ground structure to the ground plane of ACMAs designed at 8.0 GHz operating frequency. Thaks to this method, the operating frequency of the RO4360-RO3010 antenna decreased from 7,954 GHz to 5,64 GHz, meaning a 30% reduction was achieved depending on the frequency. The operating frequency of the FR4-FR4 antenna decreased from 8,031 GHz to 5,095 GHz, meaning a 36% reduction was achieved depending on the frequency. In addition, a conventional FR4-FR4 antenna at 5.1 GHz frequency was designed and compared with the miniaturized FR4-FR4 antenna. While the space covered by the conventional antenna is 1890 mm2, the space covered by the miniature antenna is 622 mm2. This corresponds to a reduction of approximately 67%. As a result, while the value of the conventional antenna was 30% better in terms of gain, it was seen that the bandwidth was higher in the miniaturized antenna. In addition, in this thesis study, the miniaturized FR4-FR4 antenna was produced and it was shown that the measurement results of the S11 parameters and the simulation results were compatible.