Metamalzeme tabanlı iki modlu anten tasarımı
Metamaterial based dual mode antenna design
Yazar: GÖKAY DİŞKEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. EVREN EKMEKÇİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Solak metamalzemeler tasarlandıkları frekans aralığında negatif kırılma indisi, ters Doppler etkisi gibi doğada bulunmayan elektromanyetik özellikler sergileyen yapay malzemelerdir. Sıradan malzemelerdeki sağ el kuralı; dalga vektörü, elektrik alan vektörü ve manyetik alan vektörünün solak üçlü oluşturması nedeniyle solak metamalzemelerde sol el kuralına dönüşür. Bu özellikleri sebebi ile metamalzemeler fizik ve mühendislik alanlarındaki farklı disiplinlerin ilgisini çekmiş ve birçok araştırmada yer almıştır. Literatürde solak metamalzemelerin ilk örnekleri ince iletken tel dizileri ile ayrık halkalı rezonatör (AHR) dizilerinin birlikte kullanılması ile elde edilmiştir. Burada ince iletken tel dizileri negatif dilektrik sabiti elde etmek, uygun şekilde uyarılmış AHR dizileri ise negatif manyetik geçirgenlik elde etmek için kullanılmıştır. 

AHR tipi yapıların literatürde gösterilmiş en önemli özelliklerinden birisi, AHR birim hücresinin maksimum doğrusal uzunluğunun, rezonans frekansındaki serbest uzay dalga boyundan yaklaşık onda bir oranında daha küçük olmasıdır. AHR yapısının bu özelliği, dalga boyundan küçük boyutta anten tasarımına imkan vermiş ve kompakt, elektriksel küçük antenlerin üretimine olanak sağlamıştır. Küçük, yüksek verimli ve çok bantlı antenler günümüz teknolojisinde oldukça önemlidir, çünkü farklı iletişim sistemleri farklı frekans bantlarını kullanmaktadır ve belli bir frekans bandı için tasarlanmış bir anten olmadan o bandı kullanmak mümkün olmamaktadır. İki veya daha fazla anten kullanmak yerine çok bantlı antenleri kullanmak hem daha pratiktir hem de fiziksel olarak yer kazanımı sağlamaktadır. Bu tezde metamalzeme tasarımında en çok kullanılan rezonatörlerden olan ayrık halka rezonatörleri (AHR), antenin ışıma yapan bölümü olarak kullanılmıştır. Anten rezonansı ayrık halka rezonatörlerinin boyutu, taban malzemenin dielektrik sabiti, ayrık halka rezonatörü sayısı, halkadaki çentiğin boyutu gibi bir çok parametreye bağlıdır. Antenin rezonansı ile yukarıdaki parametrelerin bağlantısını daha iyi anlayabilmek için tek rezonatör ve çift rezonatörlü farklı konfigürasyonların benzetimleri yapılmış ve karşılaştırılmıştır. Ayrıca AHR yüklü mikroşerit hat tasarlanarak rezonatör biçimi ve sayısının rezonans frekansına etkisi incelenmiştir. Benzetimler anten boyutunu değiştirmeden rezonans frekansını değiştirmenin veya rezonatör boyutunda küçük değişikliklerle anten kazancını arttırmanın mümkün olduğunu göstermiştir. Ayrıca AHR tabanlı mikrodalga filtre yapılarının çalışmaları da sunulmuştur. 

İki modlu anten dört ayrık halka rezonatörünün uygun biçimde yerleştirilmesiyle elde edilmiştir. Rezonatör çiftleri arasındaki uzaklık çok kısa veya çok uzun olduğunda ikinci rezonans modu kaybolmaktadır. Yüzey akım dağılımları bir rezonansın üst halkalardan kaynaklandığını, diğer rezonansın alt halkalardan kaynaklandığını göstermiştir. Bazı antenlerin prototipleri iki modlu çalışmayı doğrulamak için üretilmiş ve ölçülmüştür. Benzetim ve ölçüm sonuçları antenlerde iki rezonans frekansı için iki farklı ışıma örüntüsü oluştuğunu göstermiştir.

Anahtar Kelimeler: Metamalzemeler, ayrık halka rezonatörü, iki modlu anten, elektriksel küçük anten, metamalzeme tabanlı X-bant anten.

Abstract:
Metamaterials are engineered materials that exhibit electromagnetic properties that can not found in nature like negative refraction index, reverse Doppler effect in the designed frequency range. Right hand rule in ordinary materials becomes left hand rule in metamaterials because wave vector, electric field vector and magnetic field vector forms a left handed triplet. Due to this properties metamaterials attract attention from different disciplines in physics and engineering and take place in many research.In literature, first examples of left handed metamaterials are achieved by using thin conductor strip arrays and split ring resonator (SRR) arrays together. Here, thin conductor strip arrays used to achieve negative permittitvity, properly excited SSR arrays used to achieve negative permeability.One of the most important properties shown in literature of SRRs is that maximum linear length of SRR unit cell is nearly ten times smaller than the wave length at free space at resonance frequency. This property of SRR gives the oppurtunity to design antenna smaller than wave length and to manufacture compact, electrically small antennas. Small, high efficiency and multi band antennas are very important in technology nowadays because different communication systems use different frequency bands and it is not possible to use a band without an antenna designed for that frequency band. Instead of using two or more antennas, it's much practical and physically saves space to use multi band antennas.

In this thesis split ring resonators, one of the most used resonators to design metamaterials, used as radiating part of the antenna. Antenna resonance is dependent to many parameters like size of split ring resonators, dielectric constant of substrate, number of split ring resonators, size of the split in the ring. To better understand the connection between resonance of the antenna and the parameters above, different configurations for one resonator and two reosnators are simulated and compared. Also SRR loaded microstrip line designed and effects of SRR shape and number to resonance frequency investigated. Simulations showed that it is possible to change the resonance frequency without changing the dimensions of the antenna or improving antenna gain with very small changes in the resonator size. Moreover, microwave filter studies based on SRR type structures have been presented.Dual mode antenna is achieved by using four split ring resonator with proper adjustment. Dual resonance disappears when the distance between resonator couples are too short or too long. Surface current distributions showed that one resonance is originated from the upper rings and the other resonance is originated from the lower rings. Prototypes of some antennas are fabricated and measured to verify the dual mode operation. Simulations and measurement results showed two different radiation pattern occures for two resonances of antenna.

Keywords: Metamaterials, split ring resonator, dual-mode antenna, electrically small antenna, metamateril based X-band antenna.