Anten parametrelerinin iyileştirilmesinde omega şekilli metamalzeme uygulamaları

Abstract

Metamalzemeler doğada var olmayan ve bilinen doğal malzemelerden farklı olarak elektromanyetik özellikleri kontrol edilebilen insan yapımı yapılardır. Günümüzde araştırmacılar, metamalzeme yapılarının çeşitli uygulama alanlarına yönelik çalışmalar gerçekleştirmektedir. Bu uygulama alanlarından biriside metamalzemelerin anten uygulamasıdır. Bu tez çalışmasında, negatif kırılma indisli metamalzeme yapısı, farklı tür antenlerin performans parametrelerini geliştirmek için kullanılmıştır. Bu anten türleri monopol, mikroşerit yama ve çapraz dipol antenlerdir. Tasarlanan metamalzeme yapısı bant genişliği, geri dönüş kaybı parametreleri ve kazanç üzerinde olumlu etkilere sahiptir. Ayrıca bu yapının çapraz dipol antenleri içeren iki portlu anten sistemlerinin izolasyonunu iyileştirdiği gösterilmiştir. Önerilen metamalzeme yapısının anten sistemlerinin boyutlarını en aza indirmeye izin verecek şekilde ışıma örüntüsünün ışın genişliğini kontrol etmek için kullanılabileceği de gösterilmiştir. Tüm antenler ve metamalzeme yapısı, dijital sesli radyo uydu sistemleri, hava durumu, iletişim ve istihbarat uyduları ve WIMAX uygulamaları gibi birçok alanda kullanılan S-bandında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Metamalzeme ve anten yapılarının nümerik çalışmaları FIT tabanlı elektromanyetik simülasyon programı kullanılarak gerçekleştirilirken, deneysel çalışmalar ZVL ROHDE&SCHWARZ Vektör Network Analizör cihazı ile yapılmıştır. Bu çalışmada kullanılan metamalzeme yapısının etkin dielektrik geçirgenlik (ε_etkin), etkin manyetik geçirgenlik (μ_etkin) ve kırılma indisi (n) gibi özellikleri Nicolson Ross Weir (NRW) yöntemi kullanılarak S-parametrelerinden elde edilmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda negatif kırılma indisli metamalzeme yapısının farklı tür antenlerin performans parametrelerinin geliştirilmesinde iyi sonuçlar verdiği görülmüştür.

Metamaterials are man-made structures that do not exist in nature and their electromagnetic properties can be controlled unlike known natural materials. Nowadays, researchers have conducted many studies on various application areas of metamaterial structures. One of these application areas is the antenna application of metamaterials. In this thesis, a specifically designed metamaterial structure with negative refraction index is used to improve performance parameters of various types of antennas. The antenna types include a monopole, microstrip patch and cross dipole antennas. The designed metamaterial structure has positive effects on the bandwidth, return loss parameters, gain. It is also shown that the structure works well in the isolation of two port antenna system containing cross dipole antennas. It is also shown that the proposed metamaterial structure can be used to control beamwidth of the radiation pattern which will also allow to minimize the physical dimensions of the antenna system. All antennas and the metamaterial structures are designed to work at the same frequency point in S-band which is used for many areas like digital audio radio satellite systems, weather, communications and intelligence satellites and WIMAX applications. Numerical studies of metamaterial and the antenna structures are conducted using a FIT based electromagnetic simulation program while the experimental studies were performed by using ZVL ROHDE&SCHWARZ Vector Network Analyzer. The properties such as effective dielectric permittivity (ε_eff), effective magnetic permeability (μ_eff) and refraction index (n) were obtained from the scattering parameters (S-parameters) by using Nicolson Ross Weir (NRW) method. As a result of the conducted studies, metamaterial structure with negative refraction index has been found to give good results in improving the performance parameters of different types of antennas.