Görüntüleme Dizileri için Süperiletken Mikroşerit Yama Anten Tasarımı ve Testi

Abstract

Antenna is a device that has a metallic structure that emits or detects electromagnetic waves in a certain pattern. The antennas are in different geometrical structures and are used in many different applications today. Imaging systems are also one of the applications where antennas are mainly used. Due to the increasing demand and the technology that develops accordingly, it is expected that these systems occupy less area today. For this reason most imaging systems are integrated on an electronic chip or on low-area printed circuit boards. The antennas in the system are required to have low power losses at high frequencies, to work in wide and multiple frequency bands, and to be easily produced. The use of superconducting microstrip patch antennas in imaging arrays allows the design of electrically small antennas with less power loss in radio frequencies. This is a situation where many existing superconducting patches are available, but a few work has been done on the operation of these antennas in large frequency band-widths and multiple frequency bands. In the study, a superconducting microstrip patch antenna was designed using surface impedance in superconductors and resonance frequency calculation techniques for superconducting pacth antennas. This antenna has a resonance frequency of 18 GHz with an area of 2.7×2.7 mm and an electrical wavelength of 0.32? according to the dielectric coefficient of substrate which the antenna placed on. In this design, the bandwidth of the frequency band that the antenna on the chip has is increased by the fractal area subtraction method. A three-dimensional electromagnetic simulation program has been used to see the design results for the antenna and to make the necessary optimizations. From the simulation results, antenna parameters such as antenna gain, antenna directivity and antenna pattern were evaluated. In the next step, the antenna which has acceptable dimensions according to the optimization results, is manufactured according to the AIST-STP2 standard production process. Finally, test equipments for the manufactured antenna are installed and the simulation results and the compatibility of the measurement results are shown. This design ensures that superconducting microstrip patch antennas for imaging arrays have less loss and a wider frequency band.

Anten, elektromanyetik dalgaları belirli bir örüntüde yayan veya algılayan metalik yapıya sahip bir aygıttır. Antenler farklı geometrik yapılarda olup, günümüzde birçok farklı uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Görüntüleme sistemleri de antenlerin başlıca kullanıldığı uygulama alanlarından biridir. Artan isterler ve buna bağlı olarak gelişen teknoloji ile günümüzde bu sistemlerin az alan kaplaması beklenmektedir. Bu nedenle çoğu görüntüleme sistemi elektronik yonga üzerinde veya düşük alanlı baskı devre kartları üzerine entegre edilir. Sistem üzerinde bulunan dizilerdeki antenlerin yüksek frekanslarda güç kayıplarının az olması, geniş ve birden fazla frekans bandında çalışması ve kolay üretilebilir olması istenmektedir. Süperiletken mikroşerit yama antenlerin görüntüleme dizilerinde kullanılması radyo frekanslarında daha az güç kaybına sahip elektriksel olarak küçük antenlerin tasarımına olanak sağlar. Bu birçok mevcut süperiletken yama antende sağlanan bir durumdur fakat bu antenlerin geniş ve birden fazla frekans bandında çalışması üzerine çok az çalışma yapılmıştır. Çalışmada, süperiletkenlerde yüzey empedansı ve süperiletken yama antenler için rezonans frekansı hesaplama teknikleri kullanılarak bir süperiletken mikroşerit yama anten tasarımı yapılmıştır. Bu anten, 2.7×2.7 mm alana sahip, 18 GHz rezonans frekansına ve antenin üzerinde bulunduğu tabakanın dielektrik katsayısına göre elektriksel dalga boyu 0.32? olan bir antendir. Bu tasarımda fraktal alan eksiltme yöntemi ile yonga üzerinde bulunan alanda antenin sahip olduğu frekans bandının genişliği arttırılmıştır. Anten için tasarım sonuçlarını görebilmek ve gerekli optimizasyonları yapabilmek için üç boyutlu bir elektromanyetik benzetim programı kullanılmıştır. Benzetim sonuçlarından, anten kazancı, anten yön duyarlılığı ve anten paterni gibi anten paremetreleri değerlendirilmiştir. Sonraki adımda ise optimizasyon sonuçlarına göre kabul edilebilir değerleri sağlayan boyutlara sahip anten AIST-STP2 standart üretim sürecine göre ürettirilmiştir. Son olarak, üretilmiş olan anten için test düzenekleri kurulup benzetim sonuçları ve ölçüm sonuçlarının uyumluluğu gösterilmiştir. Bu tasarım ile görüntüleme dizileri için süperiletken mikroşerit yama antenlerin için daha az kayba ve daha geniş frekans bandına sahip olmaları sağlanmıştır.