Mikrodalga beyin görüntüleme sistemleri için UWB anten tasarımı, analizi ve geliştirilmesi
Design, analysis, and development of UWB antennas for microwave brain imaging systems
Yazar: MAHDI SALIMITORKAMANI
Danışman: PROF. DR. GÖKHAN ÇINAR ; DOÇ. DR. HAYRETTİN ODABAŞI
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde, mikrodalga radar görüntüleme için kullanılan geniş bantlı anten tasarım
yöntemleri meme kanseri ve inme teşhisi uygulamaları bağlamında ele alınmıştır.
Çalışmada, antenlerin analizi ve karakterizasyonu doku çevresinde gerçekleştirilmiş ve
doğrulama amacıyla laboratuvar ortamında test edilmiştir. İlk olarak, meme kanseri teşhisi
için geniş bantlı bir slot anten tasarlanmış ve "matching medium" (uyumlayıcı ortam)
içinde test edilmiştir. Uyumlayıcı ortam, meme dokularının ortalama dielektrik katsayısı
göz önünde bulundurularak hazırlanmış; antenin parametreleri simülasyon ortamında analiz
edilmiş ve S11 parametresi laboratuvar ortamında ölçülmüştür. İkinci olarak, beyin
görüntüleme için tasarlanan antenin analizi amacıyla gerçekçi bir kafa fantomu
geliştirilmiştir. Fantom, deri, kafatası, gri madde, beyaz madde ve serebrospinal sıvı (CSF)
gibi farklı doku türlerini içerecek şekilde oluşturulmuş ve elektriksel özellikleri laboratuvar
ortamında ölçülmüştür. Fantom modeli, farklı boyut ve konumlarda dört boşluk
barındırmakta olup, bu boşluklara sağlıklı ya da sağlıksız çekirdekler yerleştirilerek çeşitli
inme senaryoları simüle edilebilmektedir.
Ayrıca, mikrodalga beyin görüntüleme için geniş bantlı, miniaturize edilmiş bir
sinuous anten tasarlanmıştır. Substratın arkasına eklenen üç şerit halkası ve radyatör
kollarına bağlanan viyalar aracılığıyla bant genişliği artırılmış; anten, eşleşme ortamında
optimize edilerek üretilmiş ve test edilmiştir. Düşük frekans bandında (2.3–3.6 GHz)
kullanılmak üzere geniş bantlı, düşük profilli bir metasurface anten tasarlanmış ve üç kollu
yarıklı anten ile PIN diyotlar kullanılarak yeniden yapılandırılabilir radyasyon özellikleri
elde edilmiştir. Anten, -35° ile 35° arasında geniş bir tarama açısını dinamik olarak üç farklı
senaryoda kontrol edebilmektedir. Son olarak, üç katmanlı aktif faz gradyan metasurface
(PGM) tasarımı sunulmuştur. Bu tasarımda, PIN diyotların durumları değiştirilerek
elektromanyetik dalgaların fazları kontrol edilmiş ve 3.6-3.9 GHz aralığında ışın yönleri
dinamik olarak 0°, ±11°, ±18°, ±26°, ve ±35° olarak ayarlanabilmiştir.

Abstract:
This thesis addresses broadband antenna design methods used in microwave radar
imaging within the context of breast cancer and stroke diagnosis applications. The analysis
and characterization of the antennas were conducted around tissue environments and
validated through laboratory testing. First, a broadband slot antenna was designed for breast
cancer diagnosis and tested within a "matching medium." The matching medium was
prepared by considering the average dielectric constant of breast tissues; the antenna
parameters were analyzed in a simulation environment, and the S11 parameter was
measured in the laboratory. Second, a realistic head phantom was developed to analyze the
antenna designed for brain imaging. The phantom was constructed to include different
tissue types such as skin, skull, gray matter, white matter, and cerebrospinal fluid (CSF),
and its electrical properties were measured in a laboratory setting. The phantom model
contains four cavities of varying sizes and positions, allowing the simulation of various
stroke scenarios by placing healthy or unhealthy cores in these cavities.
Additionally, a broadband, miniaturized sinuous antenna was designed for
microwave brain imaging. The bandwidth was enhanced by adding three strip rings to the
back of the substrate and connecting them to the radiator arms through vias. The antenna
was optimized, fabricated, and tested within a matching medium. A broadband, low-profile
metasurface antenna was also designed for operation in the low-frequency band (2.3–3.6
GHz), achieving reconfigurable radiation properties using a three-arm slotted antenna with
PIN diodes. The antenna dynamically controls a wide beam steering range of -35° to 35°
across three different scenarios. Finally, a three-layer active phase gradient metasurface
(PGM) design was presented. In this design, the phases of electromagnetic waves were
controlled by adjusting the states of the PIN diodes, enabling dynamic beam steering
directions of 0°, ±11°, ±18°, ±26°, and ±35° within the 3.6–3.9 GHz frequency range.