Elektromanyetik bant aralığı ve kusurlu toprak yapıları kullanarak performansı iyileştirilmiş x-bant mikroşerit anten tasarımı
X-band microstrip antenna design with improved performance using electromagnetic band gap and defected ground structures
Yazar: CEMİLE TANGEL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NİGAR BERNA TEŞNELİ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektromanyetik dalgalar = Electromagnetic waves ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas

Özet:
Mikroşerit yama antenler kablosuz iletişimde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, mikroşerit yama antenin kendi yapısından kaynaklanan dar bant genişliği ve yüzey dalgalarından kaynaklanan düşük kazanç dezavantajlarına, Elektromanyetik Bant Aralığı (EBG) ve Kusurlu Toprak Yapıları (DGS) kullanılarak çözüm getirilmeye çalışılmıştır.  
EBG yapılar yalıtkan ve metal malzemelerin bir arada kullanılması ile oluşturulan birim hücrelerin genelde periyodik olarak sıralanması ile elde edilen yapılardır. Bu yapılar oluşturdukları yüksek empedanslı yüzeyleri ile belli frekans bant aralıklarında Elektromanyetik (EM) dalgaları kontrol etme özelliğine sahiptirler. Bu çalışmada gelenesel EBG yapıları yerine farklı pin konfigürasyonlarına ya da yama metal alanı azaltılmış özgün EBG yama geometrilerine sahip EBG yapılar referans antene uygulanmıştır. Anten tasarımlarında kullanılan EBG yapılar ile 4.86 dBi olan referans anten kazancı 8 dBi seviyesine çıkarılmıştır. Ayrıca referans antene EBG yama alanı azaltılmış birim hücrelere sahip bir EBG yapı uygulandığında geleneksel kare yamalı EBG yapı kullanılmasına oranla daha fazla kazanç artışı sağlandığı belirlenmiştir. Buna ek olarak tasarlanan antenlerin toprak tabakalarına farklı şekillerde yarıklar açılarak DGS uygulanması yapılmış ve referans anten empedans bant genişliğinde yaklaşık dört kat artma sağlanmıştır. Tasarlanan antenler için üretilen prototipler üzerinden yapılan ölçüm sonuçları ile elde edilen simülasyon sonuçları doğrulanmıştır. 
Çalışmada tasarlanan antenlerde standart EBG yamalar yerine metal kısmı azaltılmış daha hafif EBG yamalar kullanılarak yaklaşık %79, toprak tabakada yer alan DGS ile de %54 civarında hafifleme sağlanmıştır. Çalışmada iki farklı dielektrik malzeme (Rogers Ultralam 2000 ve FR4) kullanılarak hazırlanan 10 GHz merkez frekanslı referans antenler ile gerçekleştirilen tasarımlarda benzer sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
Microstrip patch antennas are widely used in wireless communication. In this study, some solutions are presented to the disadvantages of narrow bandwidth caused by the microstrip antenna's own structure and low gain due to surface waves by using Elecromagnetic Band Gap (EBG) and Defected Ground Structures (DGS). 
EBG structures are the structures obtained generally by periodically arranging the unit cells formed by using a combination of dielectrics and conductors. These structures have the ability to control EM (Electromagnetic) waves in a specific frequency band range with the high impedance surface they create. In this study, instead of traditional EBG structures, EBG structures having different pin configurations or using novel EBG patch geometries with reduced patch metal area were adapted to the reference antenna. By means of using EBG structures in antenna designs, the reference antenna gain value of 4.86 dBi has been increased to 8 dBi level. Moreover, it has been determined that when an EBG structure with unit cells with reduced EBG patch area is applied to the reference antenna, a greater gain increase is achieved compared to using a traditional square patch EBG structure. Additionally, DGS has been applied by etching slots with different geometries on the grounds of designed antennas and approximately four times greater bandwidths have been achieved. The simulation results are verified by the measurement results obtained with manufactured prototypes. 
With the antennas designed in this study, approximately 79% weight loss has been achieved by using EBG patches with reduced metal part area and 54% lightening has been provided by applying DGS to the ground. In this study, similar results were obtained by the designs using reference antennas with 10 GHz center frequency prepared on two different dielectric substrate (Rogers Ultralam 2000 and FR4).