Antenlerin hızlı ve doğru tasarımı için esnek hesaplamaya dayalı sayısal karma yöntemler
Numerical hybrid methods based on soft computing for fast and accurate design of antennas
Yazar: MAHMUD ESAD YİĞİT
Danışman: PROF. DR. MURAT TAYFUN GÜNEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten = Antenna ; Anten dizileri = Antenna arrays ; Destek vektör makineleri = Support vector machines ; Genetik algoritmalar = Genetic algorithms ; Hibrid algoritmalar = Hybrid algorithms ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas ; Optimizasyon = Optimization ; Parçacık sürü optimizasyonu = Particle swarm optimization ; Taguchi yöntemi = Taguchi method ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks

Özet:
Mikrodalga devre ve sistemlerin karmaşıklığındaki artıştan dolayı basitleştirilmiş teorik modeller, yapının performansının doğru şekilde tespit edilmesinde artık yeterli gelmemektedir. Bu yüzden tasarım güvenilirliğini garantiye almak için tam-dalga elektromagnetik analizin kullanımı zaruri olmuştur. Bunun yanında simülasyon (benzetim) yazılımları ve bilgisayar donanımlarındaki gelişmelere rağmen nümerik optimizasyon algoritmaları hala yüksek hesaplama yükü ve maliyetine sahiptir.
Yüksek kalitede modellemeler mikrodalga sistemlerinin daha iyi ve verimli şekilde tasarımını mümkün kılmıştır. Anten analizi ve sentezi için de bu modellemeleri kullanan elektromagnetik tabanlı bazı simülasyon yazılımları geliştirilmiştir. Böylece daha büyük ve karmaşık sistemler tasarlanabilmektedir. Fakat elektromagnetik simülasyonların hesaplama yükleri çok fazladır. Tasarım parametreleri arttıkça yazılımlar ile yapılan analizlerde işlem yükü ve harcanan zaman artmaktadır. Antenlerde istenilen cevabı almak için fiziksel yapısındaki değişiklikler için optimizasyon işleminin uygulanması gerekir. Tasarımcının bilgi ve tecrübesi yeterli olsa da deneme yanılma yöntemiyle tekrarlı olarak yazılımların çalıştırılması tasarım süresini uzatmaktadır. Tasarım karmaşıklığı arttıkça daha yüksek doğrulukta ve hızda tasarım yöntemleri gerekmektedir.  Bu çalışmada, anten tasarımı için hesaplama süresini kısaltmak ve sonuçları yüksek doğrulukla elde etmek için yeni karma yöntemlerin geliştirilerek kullanılması amaçlanmıştır.
Hesaplama süresini kısaltmak ve istenilen performansa en yakın performansı veren anten yapısını tasarlayabilmek için de Esnek Hesaplamaya (EH) dayalı sayısal karma yöntemlerin geliştirilmesi ve daha sonra anten tasarımda kullanılması hedeflenmiştir. 
"Esnek Hesaplama", 1994 yılında Lotfi A. Zadeh tarafından ortaya atılmıştır. EH, kesin olmayan ve belirsiz koşullar içeren problemler için gözlenebilir, güvenilir ve düşük maliyetli çözümler sağlayan bir grup yöntemi ifade eder. EH tekniklerinde elde edilen sonuçlar matematiksel olarak kesin değildir ve yaklaşık optimum sonuçlar elde edilir. EH, çeşitli hesaplama tekniklerinin toplamıdır. Bazı EH teknikleri ve uygulamaları arasında bulanık mantık, evrimsel algoritmalar, Yapay Sinir Ağları (YSA) ve Destek Vektör Makineleri (DVM) gibi yöntemler yer alır.  
Bu tez çalışmasında literatürde verilen ve sık kullanılan evrimsel algoritmaların yanında yeni karma optimizasyon algoritmaları da geliştirilmiş ve anten tasarımlarında kullanılmıştır.  
Bu tezin birinci bölümünde tezin amacı ortaya koyulmuş, bu konuda literatürde yapılan çalışmalara kısaca değinilmiştir.
İkinci bölümde ise anten tasarımı için gereken önemli parametreler ve tanımları verilmiştir. Ayrıca literatürde yaygın olarak kullanılan bazı elektromagnetik simülasyon yazılımları anlatılmıştır.
Üçüncü bölümde tez çalışmasında kullanılan esnek hesaplama yöntemlerinden bahsedilmiştir. YSA, Destek Vektör Regresyonu (DVR) yöntemlerinin yanında Genetik Algoritma (GA), Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) ve Taguchi Algortiması (TA) gibi literatürde verilen bazı evrimsel algoritmaların akış diyagramları verilerek ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Daha sonra bu tez çalışmasında yeni geliştirilen Konveks-Genetik-Taguchi Algoritması (KGTA), Hibrit (Karma) Parçacık Sürü Taguchi Optimizasyonu (HPSTO) ve Taguchi-Genetik-Parçacık Sürü Optimizasyonu (TAGAPSO)'nun detayları açıklanmış ve akış şemaları verilmiştir. Yeni geliştirilen bu karma yöntemlerin performansları literatürde verilen bazı test fonksiyonları yardımıyla incelenmiştir. Test sonuçları, yeni geliştirilen karma yöntemlerin içerdikleri yöntemlere göre üstünlüklerini göstermiştir.
Dördüncü bölümde ise tez çalışmasında geliştirilen EH tabanlı karma yöntemler ile literatürde verilen bazı yöntemler birlikte veya ayrı ayrı kullanılarak özgün mikroşerit antenlerin, konformal antenlerin ve anten dizilerinin tasarımları yapılmıştır. Tasarım işlemleri için HFSS ve MATLAB yazılımları kullanılmıştır. HFSS ve MATLAB ile elde edilen simülasyon ve optimizasyon sonuçlarıyla karşılaştırmalar yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda önerilen karma yöntemlerin üstünlükleri ortaya konulmuştur. Ayrıca tasarımı yapılan antenlerden bir tanesi gerçeklenerek teorik yaklaşımla elde edilen sonuçların doğruluğu gösterilmiştir.
İlk olarak bir silindirik dikdörtgen mikroşerit konformal antenin tasarımı GA tabanlı YSA yaklaşımı, GA tabanlı DVR yaklaşımı ve HFSS'in optimizasyon aracı kullanılarak yapılmıştır. GA tabanlı YSA, GA tabanlı DVR ve HFSS optimizasyonun sonuçları gereken süre ve doğruluk yönünden karşılaştırılmış ve DVR'nin üstünlüğü görülmüştür. 
Daha sonra silindirik dikdörtgen halka mikroşerit konformal anten tasarımında PSO tabanlı YSA ve DVR yaklaşımları kullanılmıştır. DVR'de kernel fonksiyonu olarak Radyal Temelli Fonksiyon (RTF)'nin yanında dalgacık kernel fonksiyonları da kullanılmıştır. Bilindiği kadarıyla dalgacık kernel fonksiyonları DVR ile anten tasarımında ilk defa kullanılmıştır. Anten tasarımında eğitim süresi ve doğruluk bakımından dalgacık kernel fonksiyonlarının RTF ve YSA'ya olan üstünlükleri gösterilmiştir. Anten tasarımı PSO tabanlı yaklaşımla yapılırken dalgacık kernelleri kulanıldığına RTF kerneline göre daha az iterasyon ve zaman gerekmiş ayrıca daha doğru sonuçlar elde edilmiştir. 
Bir sonraki çalışmada, WLAN'ın iki frekans bandında da çalışacak çift yarıklı bir mikroşerit anten tasarımı DVR yaklaşımı ile yapılmıştır. Bilindiği kadarıyla iki bantta çalışacak antenin DVR ile tasarımı ilk defa yapılmıştır. Çift yarıklı dikdörtgen mikroşerit antenin oluşturulan DVR modeli istenen rezonans frekansını veren yarık boyutu değerlerini bulmak için kullanılmıştır. DVR modeli tersine bir şekilde çalıştırıldığı için ilave bir optimizasyon yöntemi kullanılması gerekmemiştir.  Aynı yama boyutları ve taban malzemesine sahip analitik fonksiyonlar kullanılarak tasarlanan klasik dikdörtgen mikroşerit anten (DMA)'e göre antenin performans çıktılarındaki iyileşmeler gösterilmiştir. 
Diğer bir çalışmada, DVR modeli yaklaşımıyla anten yamasına birden fazla yarık ve yay-kesiği uygulanarak, istenen rezonans frekansları ve kazanç değerlerine sahip üç bantlı özgün bir mikroşerit anten tasarlanmıştır. Bilindiği kadarıyla üç bantta çalışacak anten ilk defa DVR yaklaşımı ile tasarlanarak gerçeklenmiştir. DVR yaklaşımı ile tasarlanan antenin HFSS simülasyon sonuçları ve gerçeklenen antenin ölçüm sonuçları verilmiştir. Gerçeklenen antenin performansı literatürde verilen üçlü bant özelliğine sahip antenler ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, karşılaştırma amacıyla HFSS'deki optimizasyon aracı kullanılarak anten yeniden tasarlanmıştır. DVR model yaklaşımı ve HFSS optimizasyonu ile tasarım, sonuçlarının doğruluğu ve tasarım süresi bakımından karşılaştırılmıştır.
Daha sonra doğrusal anten dizilerinin YDS ve YGDG'lerini istenilen değerlerde elde etmek için yeni geliştirilen KGTA, HPSTO ve TAGAPSO karma optimizasyon algoritmaları kullanılmıştır. Yeni geliştirilen karma algoritmalar ile elde edilen sonuçlar içerdikleri diğer algoritmalarla elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak üstünlükleri ortaya koyulmuştur.
Son bölümde ise tez çalışması genel olarak özetlenerek elde edilen sonuçlar kısaca açıklanmış ve gelecekteki çalışmalar için öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Due to the increase in the complexity of microwave circuits and systems, simplified theoretical models are no longer sufficient to properly predict the performance of the structure. Therefore, the use of full-wave electromagnetic analysis has become essential to ensure reliability for design. In addition, despite the developments in simulation software and computer hardware, numerical optimization algorithms still have high computational burden and cost.
High-quality models have led to designing microwave systems giving desired performance. Some electromagnetic-based simulation softwares that employ these models have been developed for antenna analysis and synthesis. Thus, large and more complex systems can be designed by this way. However, the computational load of electromagnetic simulations is very high. As the number of design parameters increases, the computational load and time increase. Antennas need to be optimized with changes in theirs physical structures to get the desired response. Even though the designer's knowledge and experience are sufficient for this purpose, the repetitive running of the software simulations with the trial and error method increases computational time. As design complexity increases, fast design methods having high accuracy are required. In this study, it is aimed to obtain the desired antenna performance with high accuracy in a short time as possible as by developing numerical hybrid methods based on soft computing. 
Microstrip antennas have attracted great interest due to their features such as easy production, cheapness, compatibility with integrated circuits and low weight. Antenna performance can be efficiently improved by relatively easy methods such as adding slots on a microstrip antenna patch and/or ground. Today, there are many studies for the analysis and synthesis of slotted microstrip antennas. The complexity of the design and computational time increase with the number of slots.
Conformal antenna is a type of microstrip antenna suitable for structures with a curved surface. Since it takes the shape of the surface, the aerodynamic performance of the system is not affected. Therefore, it is widely used where aerodynamic effects are important such as aircraft, missiles, satellites, etc. However, the computational cost and time required for electromagnetic simulations are high due to the curved shape of the conformal antenna. The traditional trial and error method also increases the computational time and the success of the results is not guaranteed.
In order to meet long distance communication requirements, it is necessary to design high gain antennas. The way to increase the gain of the antenna without increasing the size of the individual elements is to create an array of antennas in a geometric arrangement. In a remote sensing system called RADAR, array antennas must be used so that the antenna can have an electronically steerable main beam for continuous target tracking. In order to design of array antennas, there are two important parameters that affect antenna performance. These parameters are Side Lobe Level (SLL) and Half Power Beam Width (HPBW). While designing the array antennas, these parameters need to be adjusted optimally. This increases the computational load.
In this thesis, it is aimed to develop numerical hybrid methods based on Soft Computing (SC) in order to shorten the computational time for designing the antenna structure that gives the desired performance with high accuracy.
SC refers to a set of methods that provide traceable, robust and low-cost solutions for problems involving undetermined and uncertain conditions. SC techniques are basically inspired by intelligence in nature such as the functioning of the biological brain, the reasoning mechanism of the human mind or evolutionary processes. The term "Soft Computing" was proposed by Lotfi A. Zadeh in 1994.
The results obtained by SC techniques are not mathematically certain and optimum results are obtained approximately. SC is the sum of various computational techniques. Some SC techniques and applications include fuzzy logic, evolutionary algorithms, Artificial Neural Networks (ANNs) and Support Vector Machines (SVMs). 
ANNs has attracted attention in recent years due to its adaptability, generalizability and nonlinearity. ANNs provide a reduction in computational load. In literature ANNs have been used to obtain the performance characteristics of antennas and microwave devices. 
SVMs have been attracting a lot of attention recently as they can overcome some of the limitations caused by ANNs. SVMs are heuristic structures that can solve classification, regression and estimation problems. When they are used for regression problems they are called Support Vector Regression (SVR).
The evolutionary optimization methods such as Genetic Algorithm (GA), Particle Swarm Optimization (PSO), Taguchi Algorithm (TA) are also part of SC. In this thesis, new hybrid optimization algorithms have been developed and used for antenna design.
In the first section of the thesis, the aim of the thesis is given and the studies in the literature on the subject are briefly presented.
In the second section, important parameters required for antenna design and their definitions are stated. In addition, information about some electromagnetic simulation softwares used in the literature are given. 
In the third section, the SC methods used in the thesis are presented. In addition to ANN and SVR methods, some evolutionary algorithms given in the literature such as GA, PSO and TA are explained in detail by giving theirs flow diagrams. Then,  the explanations and flow charts of the newly developed Convex-Genetic-Taguchi Algorithm (KGTA), Hybrid  Particle Swarm Taguchi Optimization (HPSTO) and Taguchi-Genetic-Particle Swarm Optimization (TAGAPSO) methods are presented. The performances of newly developed hybrid methods have been examined with the help of the several test functions given in the literature. The test results show the superiority of the newly developed hybrid methods over the other methods they contain. 
In the fourth section, microstrip antennas, conformal antennas and antenna arrays have been designed by using hybrid SC-based methods developed in the thesis and some methods given in the literature. HFSS and MATLAB softwares have been used for the design processes. The simulation and optimization results obtained via HFSS and MATLAB have been compared. As a result of the comparisons, the advantages of the proposed methods have been presented. In addition, one of the designed antennas has been implemented and the accuracy of the results obtained via the theoretical approach has been examined. 
Firstly, the design of a cylindrical rectangular microstrip conformal antenna has been carried out using the GA-based ANN approach, the GA-based SVR approach and the optimization tool of HFSS. Results of GA-based ANN, GA-based DVR and HFSS optimization have been compared in terms of computational time and accuracy. The superiority of GA-based SVR over the other methods has been presented.
Then, PSO-based SVR and ANN approaches has been used to design a cylindrical rectangular ring microstrip conformal antenna. In SVR, wavelet kernel functions and Radial Based Function (RBF) have been used. As far as is known wavelet kernel functions have been used for the first time in antenna design via SVR approach. The superiority of wavelet kernel functions over RBF and ANN has been shown in terms of training time and accuracy for antenna design. When the antenna has been designed by using a PSO-based approach with wavelet kernels, less iteration and less time have been required with respect to PSO-based approach with RBF kernel and the results have obtained more accurately.
In the next study, a slotted microstrip antenna has been designed that will work in both frequency bands of WLAN. As far as is known, the antenna with two bands has been designed via SVR approach for the first time. The SVR model of the dual slot rectangular mircostrip antenna has been used to find the slot dimensions that give the desired resonance frequencies. Improvements with respect to the performance outputs of classical rectangular microstrip antenna (RMA) designed by using analytical functions for the same patch sizes and substrate material have been presented.
In another study, a novel triple-band microstrip antenna with desired resonance frequencies and gain values has been designed via the SVR model approach by applying multiple slots and arc-truncations to the antenna patch. As far as is known, it is the first time that a triple-band antenna designed via SVR approach is implemented. The HFSS simulation results of the antenna obtained by the SVR approach and the measurement results of the implemented antenna have been given. The performance characteristics of the implemented antenna are compared with the other triple band antennas given in the literature. In addition the antenna has been redesigned using the optimization tool of HFSS for comparison. Results of SVR model approach and HFSS optimization are compared in terms of accuracy and computational time.
Then, the newly developed KGTA, HPSTO and TAGAPSO algorithms have been used to obtain desired values of the SLLs and HPBWs of the linear antenna arrays. The results obtained with the newly developed hybrid algorithms have been compared with the results obtained by other algorithms they contain. Their superiorities over the other algorithms have been presented.
In the conclusion part, the thesis is summarized, the results are briefly explained and suggestions for future studies are stated.