Mikrodalga görüntüleme uygulamaları için bir düzlemsel dikdörtgen monopol anten tasarımı ve optimizasyonu

Yıl 2018, Cilt: 9 Sayı: 1, 1 - 12, 04.04.2018

Ali Recai Çelik , Muhammed Bahaddin Kurt Selçuk Helhel

Öz

Bu çalışmada, mikrodalga görüntüleme sistemlerinde kullanılmaya uygun olan çok-geniş bantlı, küçük boyutlu ve yönlü ışıma diyagramına sahip bir antenin tasarlanması amaçlanmıştır. Mikrodalga görüntüleme sistemleri ile ilgili araştırmalar özellikle meme kanseri tespitinde sistemin kullanımının avantajlı olduğunu kanıtlamış ve son yıllarda sistemin geliştirilmesine yönelik çalışmaların artış göstermesini sağlamıştır. Mikrodalga görüntüleme tekniğinin temel prensibi, verici anten ile sinyalin hedefteki materyale gönderilmesi ve saçılan sinyalin alıcı anten ile alınıp işlenmesi şeklindedir. Bu nedenle, kullanılacak anten seçimi ölçümlerde önemli bir rol oynamaktadır. Hafiflik, küçük hacim, sistemlere kolay entegre olabilme, düşük profilli yüzeysel görünüme ve düşük üretim maliyetine sahip olma gibi özellikleri nedeniyle ‘Mikroşerit Yama Antenler’in kullanımı birçok uygulamada görülmektedir. Ancak geleneksel mikroşerit antenlerin band genişliklerinin dar ve kazançlarının düşük oluşu, geniş bant aralığındaki sinyallere ihtiyaç duyan mikrodalga görüntüleme gibi sistemler için önemli bir engel teşkil etmektedir. Bu nedenle çeşitli modifikasyon teknikleri kullanılarak mikroşerit antenlerin dezavantajlarını ortadan kaldırmaya yönelik çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bozulmuş toprak yüzey kullanma, yama veya toprak üzerinde yarıklar açma, parazit eleman ekleme, besleme tekniğini ve konumunu değiştirme gibi yöntemler antenin performansını artırma amacıyla yapılan işlemlerden bazılarıdır. Bozulmuş toprak kullanma tekniği ile mikroşerit antenin tam haldeki toprak yapısının bozularak kısmi hale getirilmesi işlemi ile oluşturulan antenlere ‘düzlemsel monopol anten’ adı verilir. Işıma yamalarının geometrik şekillerine göre, eliptik, dairesel, dikdörtgen, kare veya bu şekillerin birleşimleri ile adlandırılan monopol antenlerin en önemli özelliği çok-geniş frekans bandında çalışabilmeleridir. Bu çalışmada dikdörtgen yamalı düzlemsel anten tasarımının yapılması planlanmış, istenilen amaca uygun olarak optimizasyonlar gerçekleştirilmiş ve antenin analizi yapılmıştır. L-şekilli toprak yüzey kullanılarak yönlü bir ışıma diyagramı elde edilmiş, toprakta açılan bir çentik ile band genişliği artırılmıştır. Yamadan çıkarılan yarıklar ile ardışık rezonanslar oluşturulmuş, besleme hattının konumu optimize edilerek empedans uyumu artırılmıştır. Yapılan tüm işlemlerin neticesinde; bant genişliği 3-10 GHz bandını tam olarak kapsamakta olan ve bant içindeki farklı frekans noktalarında yönlülüğü stabil durumda olan küçük yapılı bir anten tasarlanmıştır. Bu özelliklere sahip olan antenin, mikrodalga görüntüleme sistemleri için gerekli şartları sağladığı söylenebilir.

Anahtar Kelimeler

Mikrodalga görüntüleme, meme kanseri, anten tasarımı, çok-geniş bant, yönlü anten

Kaynakça

• Abbosh, A.M., (2008). Directive antenna for ultrawideband medical imaging systems, International Journal of Antennas and Propagation, Available from doi: 10.1155/2008/854012
• Agrawall, N.P., Kumar G., Ray K.P., (1998). Wide-band planar monopole antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 46, 294–295.
• Almazroui, S., (2015). Microwave imaging for security applications, PhD Thesis, The Unıversıty of Sussex, Department of Engineering and Informatics, UK.
• Andukar, A.G., Deshmukh, R., Bansod, B., (2016). A review on imaging techniques in food safety and its advancements, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 5, 980-983.
• Ansys HFSS, (2014). Ansys Corporation, USA.
• Azim R., Islam M.T., Misran N., (2013). Microstrip line-fed printed planar monopole antenna for UWB, Arabian Journal for Science and Engineering. 38, 2415–2422.
• Bah M.H., Hong J., Jamro D.A. (2015). Ground slotted monopole antenna design for microwave breast cancer detection based on time reversal MUSIC, Progress In Electromagnetics Research, 59, 117–126.
• Bassi, M., Caruso, M., Khan, M.S., Bevilacqua, A., Capobianco, A.D., Neviani, A., (2013). An integrated microwave imaging radar with planar antennas for breast cancer detection, IEEE Transactions on Microwave Theory And Techniques, 61, 5, 2108-2118.
• Balanis C.A., (2015). Antenna Theory: Analysis and Design 3rd ed, Wiley, New Jersey, USA.
• Çalışkan, R., Gultekin, S.S., Uzer, D., Dundar, O., (2015). A microstrip patch antenna design for breast cancer detection, World Conference on Technology, Innovation and Entrepreneurship, Istanbul, Türkiye.
• Çelik, A.R., Kurt, M.B., Helhel, S., (2017). An overview of electromagnetic methods for breast cancer detection and a novel antenna design for microwave imaging, International Conference on Engineering Technologies, Konya, Türkiye.
• Çelik, A.R., Kurt, M.B., Helhel, S., (2017). Design of an elliptical planar monopole antenna for using in radar-based and ultra-wideband microwave imaging system, International Research Journal of Engineering and Technology, 4, 11, 1978-1983.
• Deng, Y., Liu, X., (2011). Electromagnetic imaging methods for nondestructive evaluation applications, Sensors, 11, 12, 11774–11808.
• Golezani J.J., Abbak M., Akduman I., (2012). A novel compact wideband directional monopole antenna for use in radar applications, Proceedings, 15th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics, Toulouse, France.
• Guha D., Biswas M., Antar Y.M.M. (2005). Microstrip patch antenna with defected ground structure for cross polarization suppression. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 4, 455–458.
• Haraz, O., Sebak, A.R, (2013). UWB Antennas for Wireless Applications. Advancement in Microstrip Antennas with Recent Applications. IntechOpen: Rijeka, European Union.
• Jiya, E.A., Anwar, N.S.N, Abdullah,M.Z., (2016). Detection of cracks in concrete structure using microwave imaging technique, International Journal of Microwave Science and Technology, Article ID 3195716.
• Kumar, G., Ray K.P., (2003). Broadband microstrip antennas, Artech House, Norwood MA, USA.
• Locatelli, A., Modotto, D., Pigozzo, F.M., Boscolo, S., Autizi E., Angelis, C.D., Copabianco, A.D., Midrio, M., (2007). Highly directional planar ultrawide band antenna for radar applications. Proceedings, European Microwave Conference, Munich, Germany. 1421-1424.
• Sever, E., (2011), Eş düzlemsel hat girişli ve çift bantlı bir monopol planar anten tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• Tseng, C.F., Huang, C.L., Hsu C.H., (2009). Microstrip-Fed monopole antenna with a shorted parasitic element for wideband application. Progress In Electromagnetics Research. 7, 115–125.
• Unal, I., Turetken, B., Canbay, C., (2008). Spherical conformal bowtie antenna for ultrawide band microwave imaging of breast cancer tumor. Applied Computational Electromagnetics Society (ACES) Journal, 29, 2, 124-133.
• Xiao, X., Kikkawa, T., (2008). Influence of the Organism Interface on the Breast Cancer Detection by UWB. Applied Surface Science. 255, 597–599.
• Zhang, H., Zhou, U., Wu, Z., Xin, H., Ziolkowski, R.W. (2010). Designs of ultra wideband (UWB) printed elliptical monopole. Microwave and Optical Technology Letters. 52, 466–471.
• Zhang, Y., (2014). Microwave imaging for ultra-wideband antenna based cancer detection, PhD Thesis, The University of Edinburgh, South Bridge, Edinburgh, Scotland.