Sızıntı dalga antenin yapay sinir ağları kullanılarak modellenmesi ve optimizasyonu
Leaky wave antenna modelling and optimisation using artificial neural network
Yazar: SEMİH BAŞ
Danışman: DOÇ. DR. HAMİD TORPİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde hızlı gelişen iletişim teknolojisi, haberleşme ve RF mühendislerini farklı ihtiyaçlara yönelik anten çözümleri arayışına itmiştir.  Elektromanyetik dalganın iletimi esnasında istenmeyen saçılma, bazı uygulamalar için anten tipinin temel ışıma ilkesi olarak önümüze çıkmaktadır. Sızıntı dalga anteni ve çalışmamızda incelediğimiz mikroşerit sızıntı dalga anteni, elektromanyetik dalganın iletimi esnasında istenmeyen saçılma etkisinin temel prensip olarak kullanıldığı güzel bir örnektir.

Sızıntı dalga anteninin çalışma frekansının değişmesi ile birlikte huzme yöneliminin değişmesi, anten yöneliminin önemli olduğu uygulamalar için bu anteni öne çıkarmaktadır. Ayrıca antenin kolay üretimi ve düşük üretim maliyeti nedeniyle tercih edilen yapılarından biridir.

Antenin karakteristiğini etkileyen birçok fiziksel parametrenin olması, anten tasarım sürecini çok boyutlu bir optimizasyon problemi olarak ele alınmasını gerekli kılar. Optimizasyon sürecinin 3 boyutlu (3B) elektromanyetik benzetim araçları kullanılarak yapılması, uzun süren hesaplamaları nedeni ile son derece verimsiz bir işlemdir. Yapay sinir ağı tabanlı eş değer model geliştirmek, optimizasyon esnasında harcanan süreyi azaltan metodlardandır. Böylece, geliştirilen yapay sinir ağı modeli ile gerçekleştirilen optimizasyon süreci, doğruluğu yüksek sonuçları şaşırtıcı derecede kısa sürede vermektedir. Tez çalışmamda, sızıntı dalga antenin uygun bir yapay sinir ağı modeli geliştirilmesi ve optimizasyonu problemi incelenmiştir.

Tez çalışmama konu olan bu yenilikçi anten tasarım yöntemi, anteni oluşturan fiziksel parametreleri ile antenin genel karakteristiğini elde etmek ile başlamaktadır. Anten karakteristiği, parametrelerin etkisini anlamak için 3B simülasyon aracında her parametreyi belirli aralıklarla tarayarak  oluşturulmuştur. Oluşturulan karakteristik ile yapay sinir ağı modeli eğitilmiştir. Anten parametreleri, eğitilen yapay sinir ağı modeli sayesinde, bal arıları çiftleşme optimizasyon algoritması kullanılarak optimize edilmiştir. Optimizasyon algoritması çıktıları ve 3B benzetim programı ile elde edilen performans değerleri karşılaştırılarak, çalışmamızda önerilen tasarım yönteminin doğruluğu gösterilmiştir.

Özetle, teknolojinin gelişme hızına ayak uydurmak için tasarım aşamalarında yeni yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Çalışmamızda, belirtilen anten tasarımında  yapay sinir ağı modeli yaklaşımı uygulanmış, önerilen yöntemin doğru çalıştığı ve verimli olduğu kullanılan klasik tasarım yöntemi ve araçları ile karşılaştırılarak kanıtlanmıştır.

Abstract:
Nowadays, rapid developing communication technology has pushed RF and communication engineer to find innovative solution emerging needing. Undesired scattering during the propagation of electromagnetic wave is put it out as a fundamental theory of leaky wave anntenna and microstrip antenna for solution of some application. 

The leaky wave antenna steps forth in order to applications that high directivity is important by changing beam directivity with antenna frequency sweeping. In addition, it is the one of the preferred antenna structure due to easy manufacturing and low cost.

Antenna design process is handled as an optimisation problem because of many parameters affecting its characteristics. It is quite non-efficient method to do optimisation process via 3D electromagnetic simulation tool due to time consuming calculation process. Improvement of artificial neural network equivalent model is one of the methods decreasing process time during the optimisation. Thus, optimisation process implementing via developed artificial network gives highly accurate solution in the surprisingly short time. Problem of optimisation of a leaky wave antenna via artificial neural network is studied in my thesis.

The innovative antenna design method examined in the thesis starts with obtaining antenna characteristics depended on physical parameters of it. Antenna characteristic is built up to understand effect of parameters by sweeping each parameter in particular interval in 3D simulation tool. Artificial neural network model is trained with obtained characteristics. Antenna parameters is optimised used honey bee mating algorithm thanks to trained artificial neural network. In my thesis, accuracy of proposed design methods is demonstrated by comparing antenna performance metrics obtained via 3D simulation tool and optimisation algorithm outputs.

In summary, artificial neural network model approach is applied to design cited antenna in this thesis, it is proved that proposed method is efficient and worked appropriately by comparing with classic design method and tools.