Kablosuz iletişim sistemlerine yönelik anten tasarımı için melez yapay arı koloni algoritmasının geliştirilmesi ve uygulanması
Development and implementation of hybrid artificial bee colony algorithm for antenna design in wireless communication systems
Yazar: DENİZ ÜSTÜN
Danışman: PROF. DR. ALİ AKDAĞLI
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde, kişisel iletişim sistemlerinde, mobil uydu iletişiminde veya kablosuz yerel alan ağında kullanılan taşınabilir aygıtlar için, kablosuz teknolojinin gelişimi ile birlikte minyatür anten tasarımları gereklidir. Kablosuz teknolojilerde kullanılan taşınabilir aygıtların boyutu küçülmüş ve buna bağlı olarak aygıtların yapıları kompleks bir yapıya bürünmüştür. Bu cihazlar için tasarlanmış antenlerin geometrileri de karmaşık bir yapıya sahip olabilir. Karmaşık yapıya sahip problemler analitik ve klasik yöntemler kullanarak çözümlerinin elde edilmesi çok zordur. Bu tür kompleks yapıya sahip sistemlerin çözümünde yapay zekaya dayanan optimizasyon yöntemleri başarılı sonuçlar vermektedir.
Bu tez çalışmasında, kablosuz iletişim teknolojileri için anten tasarımlarında kullanılmak üzere yeni ve güçlü bir melez yapay arı koloni (MYAK) algoritması önerilmiştir. MYAK'da, standart yapay arı koloni (YAK) algoritmasının arama performansını iyileştirmek için farksal gelişim (FG) algoritmasının güçlü mutasyon ve çaprazlama stratejileri, YAK algoritmasının gözcü arı fazına uygulanmıştır. MYAK algoritmasının performansı, optimizasyon kıyaslama fonksiyonlarında test edilmiş ve standart YAK, FG ve parçacık sürü optimizasyon (PSO) algoritmaları ile karşılaştırılmıştır. MYAK algoritması, test fonksiyonlarının birçoğu için YAK, FG ve PSO'dan daha iyi sonuçlar vermektedir. Ayrıca, MYAK, YAK, FG ve PSO algoritmaları, HyperLynx® 3B elektromanyetik (EM) platform ile birleştirilerek entegre tasarım sistemi geliştirilmiş ve bu tasarım sistemindeki YAK algoritması kullanılarak, UMTS, WLAN ve WiMAX uygulamaları için bir adet geniş çift bantlı monopol anten tasarımı ve yine entegre tasarım sistemindeki MYAK algoritması kullanılarak çift bant durdurma özelliğine sahip olan bir adet UWB anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak, dikdörtgen şekilli mikroşerit antenlere oyuk açma tekniği uygulanarak, oyuk yapısının boyut ve pozisyonları entegre tasarım sistemindeki MYAK algoritması ile optimize edilmiş ve dikdörtgen şekilli mikroşerit anten yapısının bant genişliği kullanılan bu teknik ile arttırılmıştır. Tasarlanan tüm antenler performansı kazanç, ışıma modeli ve S-parametresi bakımından analiz edilmiştir. Antenlere ait S11 parametre değerleri ölçüm ile doğrulanmıştır. Antenlerin parametrelerinin ölçülen değerleri, benzetim sonuçları ile birlikte tolere edilebilir sınırlar içinde uyumlu bulunmuştur.

Abstract:
Nowadays, the miniaturized antenna designs are required for the portable devices used in personal communication systems, mobile satellite communication or wireless local area network with developing of the wireless technology. The size of portable devices used in the wireless technologies are is small and the structures of the devices can be complicated. Therefore, the geometries of designed antennas for these portable devices also can be complex and the solving of complex problems can be very difficult by using analytic and classical methods. In the solution of these systems having complex structure, the optimization methods based on artificial intelligence obtain successful results for these problems.
In this thesis work, a novel and robust hybrid artificial bee colony (HABC) algorithm is proposed to be used in the designs of antennas for wireless communication technologies. In HABC, the strong mutation and crossover strategies of the differential evolution (DE) algorithm have been applied to the onlooker bee phase of the artificial bee colony (ABC) to improve the search performance of the standard ABC algorithm. The HABC has been tested on the optimization benchmark functions and compared with the standard ABC DE and particle swarm optimization (PSO) algorithms. The reached numerical results in present study shown that the proposed HABC was superior to the comparison with the ABC, DE and PSO for the many of optimization benchmark functions considered in this work. Besides, an integrated design system is developed by combining HABC, ABC, DE and PSO algorithms with the HyperLynx® 3D electromagnetic simulation platform. A monopole antenna for UMTS, WLAN and WiMAX applications is designed by using the ABC algorithm in this integrated system. Also, an UWB antenna design with the dual-band rejection is also performed by utilizing the HABC algorithm. The bandwidth of rectangular antenna is increased by applying of the slot opening technique to the ground plane of the rectangular microstrip antenna and the size and position of the slot is optimized by the HABC algorithm. The performance of all antenna designs is analyzed in terms of the gain, radiation pattern and S–parameter. The measured parameter values of all antennas are found to match well within tolerable limits with simulation results.