Yapay zeka algoritmaları kullanılarak X bandı için mikroşerit yama anten boyut optimizasyonu ve uygulaması
Dimension optimization and application of microstrip patch antenna in X band via artificial intelligent algorithms
Yazar: UMUT ÖZKAYA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LEVENT SEYFİ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Artan dünya nüfusu ile birlikte iletişim sektöründe süregelen gelişmelere paralel olarak haberleşme teorisinde önem arz eden anten çeşitlendirmelerinde de ciddi aşama kaydedilmiştir. Haberleşme cihazlarının vazgeçilmez özelliklerinde biri olan taşınabilirlik mikroşerit yama antenlerin ön plana çıkmasını sağlamıştır. Mikroşerit yama antenler basitlik, yüzey uyumluluğu, boyutlarının küçük olması, düşük maliyete sahip olması, üretim kolaylığı ve katı hal aygıtları ile bütünleşebilmesi gibi avantajları ile haberleşme ve biyomedikal uygulamalarında geniş bir yer bulmaktadır. Yapı olarak mikroşerit yama antenler toprak düzlemi ile iletken yama arasına yalıtkan özellik gösteren malzemenin yerleştirilmesi ile elde edilir. Çalışma prensibi ise yama ile toprak düzlemi arasında elektrik ve manyetik alan ışıması temeline dayanır. Temel anten geometrisi olarak bilinen kare, dikdörtgen, üçgen, daire vb. şekiller ile tasarımlar yapılmış ve ilerleyen zamanlarda vivaldi, yaprak şekilli iletim hatları üzerinde yapılan çalışmalar takip etmiştir. Çalışmalarda verim, kazanç, band genişliği, geri dönüş kayıpları gibi anten parametrelerin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Özellikle mikroşerit antenlerin kullanımı yüksek frekanslarda daha yaygındır. X-Bandı, Uydu Haberleşme Sistemi için güvenli ve kontrolü daha kolay bir haberleşme ortamı sağlar. Haberleşme sistemleri için önem arz eden X bandının frekans aralığı uygulamalara göre farklılık arz etmektedir. Haberleşme Mühendisliğinde X bandı için 7.0 – 11.2 GHz frekans aralığı belirlenirken, radar uygulamaları için ise IEEE standartlarına göre 8.0 – 12.0 GHz frekans aralığındadır. Günümüzde birçok problemin çözümü için kullanılan yapay sinir ağları insan beyninin bilgi işleme tekniğinden faydalanılarak geliştirilmiş ve öğrenme, hafıza alma, veriler arasında ilişkiyi ortaya çıkarma gibi özellikleri ile ön plana çıkmıştır. Yapay sinir ağlarında öğrenme, eğitim yoluyla örnekler kullanılarak gerçekleştirilir. Diğer bir deyişle öğrenme, girdi ve çıktı verileri kullanılarak hücreler arası bağlantı ağırlıklarında yakınsama sağlanana kadar tekrar tekrar güncellemesi ile meydana gelir. HFSS programında gerçekleştirilen tasarımlarda mikroşerit anten boyutlarındaki milimetre seviyesindeki değişimlerin anten parametreleri üzerine oldukça etkisi olduğu gözlenmiştir. Tasarımlardaki bu hassasiyet gerekliliği ve zorluğun giderilmesi amacıyla yüksek lisans tez çalışmasında, süper yüksek frekans aralığında (8-12 GHz) bulunan X bandı için lale şekilli yamaya sahip mikroşerit yama anten tasarımı hibrit yapay zeka algoritmaları ile gerçekleştirilmiştir. Algoritma sonuçları değerlendirildikten sonra içlerinden en iyi anten parametrelerine sahip tasarım seçilerek prototipi gerçeklenip ölçüm sonuçları ile simulasyon sonuçlarının karşılaştırılması amaçlanmıştır. Elde edilen simulasyon ve ölçüm sonuçlarının birbirlerine oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
With growing population of the world, diversity of the antenna is very important for communication theory which was also recorded significant stage. Portability is one of the essential features of communication devices which has led to the prominence of microstrip patch antenna. It has a widespread usage in communication and biomedical applications owing to the advantages of simplicity, surface compatibility, their small size, low cost, ease of production and integration on solid-state devices. It is obtained by placing dielectric materials between ground plane and the conductive patch. Also, it works in accordance with electric and magnetic field radiation between the ground plane and the patch. İnitially, rectangular, triangular, circular and well-known geometries are used for patch design and then, studies on vivaldi and leaf-shaped transmission line was followed. In these studies, antenna parameters, which are efficiency, gain, bandwidth and return loss, are aimed to be improved. In particular, the use of microstrip antennas is more common at higher frequencies. Extended medium-wave band, known as the X-Band provides a communication plstform in which is secure and easier to be controlled for Satellite Communications System. X-band frequency range is very important for communication system and varies according to applications. Although 7.0-11.2 GHz is assigned for X Band frequency range for communication engineering, it is in 8.0-12.0 GHz for radar application when IEEE Standards are considered. In these days, the artificial neural network, which is developed by utilizing the data processing, have the capacity to learn, memorize and uncover the relationships between different data. Learning in artificial neural network is carried out using samples through training. In other words, learning is occurred by using input and output data again until providing the convergence in weights in connections. In the design by using HFSS software, it is observed that millimeter level changes in antenna dimension have a big effect on antenna parameters. In order to overcome with the sensitivity requirements and difficulties, tulip shaped microstrip antenna is designed for X Band (8-12 GHz) in the high frequency range via hybrid artificial intelligence algorithms in our master thesis. After evaluating the algorithm results, the antenna design, which has the best antenna parameters, is selected to be implemented as a prototype and then it is aimed to compare the simulation and measurement results.