Search

Yapay elektromanyetik yapılara anten ve mikrodalga teknolojilerinde sıklıkla karşılaşmaktayız. Periyodik olarak tasarlanan bu yapılar sıradışı özelliklere sahip olabilmektedir ve en önde geleni aynı anda negatif elektrik geçirgenlik ve negatif manyetik geçirgenliğe sahip olan Metamalzeme (MTM) yapılarıdır. Bunlara ek olarak farklı elektromanyetik özellikler gösteren rezonatör yapıları da gelişen teknoloji ile beraber sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında yapay elektromanyetik yapılar kullanılarak mikrodalga frekans bandında görüntüleme gerçeklenmiştir. Önerilen yapılar en çok kullanılan mikrodalga frekans bantlarında çalışmakta olup sinyal emilimi ve anten parametrelerini iyileştiren yapılar da bu çalışmada sunulmuştur. İlk olarak geniş bantlı sinyal emilimi yapan MTM tabanlı periyodik yapı, sonlu integrasyon yöntemi (Finite Integration Technique-FIT) kullanan mikrodalga simülatöründe tasarlanmıştır ve analiz edilmiştir. Önerilen sinyal emici yapının enerji hasatı uygulaması da yapılmıştır ve deneysel olarak ta sonuçlar elde edilip karşılaştırılmıştır. Sonrasında sinyal emilimi ve enerji hasatı yapan MTM tabanlı birim hücrelere sahip, farklı frekans bölgelerinde çalışabilen üç farklı yapı mikrodalga görüntülenmesi amacıyla tasarlanmış ve deneysel olarak analiz edilip görüntüleme gerçeklenmiştir. Bunlara ek olarak elektromanyetik bant boşluğu (Electromagnetic Band Gap-EBG) yapısı anten parametrelerini geliştirmek amacıyla tasarlanmış ve deneysel olarak gerçeklenmiştir. Bir diğer çalışmada boşluk rezonatör yapısı ve EBG entegreli monopol anten yapısı önerilmiştir. Önerilen mantar şekilli EBG monopol anten entegreli boşluk rezonatör yapısı son çalışmada mikrodalga görüntüleme yapmak amacıyla kullanılmıştır. Tasarlanan farklı yapılar LPKF E33 devre üretim cihazı kullanılarak üretilmiş olup deneysel veriler KEYSIGHT marka PNA-L N5234A Network Analyzer yardımıyla elde edilmiştir. Önerilen yapıların sayısal ve deneysel sonuçları büyük bir uyum içerisindedir., We often encounter artificial electromagnetic structures in antenna and microwave technologies. These structures, which are designed periodically, can have unusual properties and the most prominent are Metamaterial (MTM) structures, which have negative electrical permittivity and negative magnetic permeability at the same time. In addition, resonator structures showing different electromagnetic properties are frequently used together with developing technology. In this thesis, microwave frequency band imaging was performed by using artificial electromagnetic structures. The proposed structures are used in the most commonly used microwave frequency bands and the structures that improve the signal absorption and antenna parameters are presented in this thesis. Firstly, the MTM-based periodic structure, which absorbs broadband signal, was designed and analyzed in a microwave simulator based on finite integration technique (FIT). Energy harvesting of the proposed absorber structure was also carried out and experimental results were obtained and compared. Afterwards, three different structures that can work in different frequency regions with MTM-based unit cells that make signal absorption and energy harvesting are designed for microwave imaging and experimentally analyzed. In addition, the electromagnetic band gap (EBG) structure is designed and experimentally implemented to improve the low profile antenna parameters. In another study, cavity resonator structure and EBG integrated monopoly antenna structure have been proposed. The proposed mushroom-shaped EBG monopole antenna integrated cavity resonator structure has been used in order to make microwave imaging in the last study. The different structures were produced by using LPKF E33 circuit printer and the experimental datas were obtained with the help of KEYSIGHT brand PNA-L N5234A Network Analyzer. The numerical and experimental results of the proposed structures are in great harmony.

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.

Yüzeyaltı görüntüleme ile algılama, sınıflandırma ve/veya belirleme oldukça ilgi çeken bir konudur. Uygulamalar araç-savar ve insan-savar yer mayınlarının algılanmasından biyolojik dokulardaki urların belirlenmesine kadar çeşitlilik gösterir. Yüzeyaltı görüntülemenin temeli, bir alanın yada nesnenin bir duyar eleman ile (veya bir duyar elemanlar grupları ile) aydınlatılmasına ve ileri ve geri saçılan işaretin işlenmesine dayanır. Görüntüleme bilgisi, ortamın elektromanyetik parametrelerinin (e.g. geçirgenlik) farklılığında saklıdır. Duyar elemanlar EM, akustik, sismik transduserler, kızılötesi kameralar vb. dir. Ancak, halen güvenilir bir tek duyar eleman yada karmaşık sistem bulunmamaktadır. Yüzeyaltı görüntülemenin ilgi çekici konuları, duyar eleman geliştirmek, dalga şekli tasarımı, tarama alternatifleri, anten dizi işleme, yazılım geliştirme (gürültü temizleme, eko azaltma, karmaşa filtreleme, düzgünleştirme, etc. ), görüntüleme ve performans değerlendirme sayılabilir.Yüzeyaltı görüntülemede en güven verici duyar elemanlardan biri yüzeyaltına nüfuz eden radarlardır (GPR). GPR Yer Biliminden arkeolojiye, ilaç sanayinden savunma sanayine, vb. kadar uygulama alanları vardır. GPR en olumsuz performansı iyi iletken ve heterojen ortamlardaki zayıf performansıdır. Diğer dezavantajları maliyet, yazılımı, işlem ve görüntü oluşturmak için belirli bir tecrübe gerektirmesidir.Zaman düzleminde sonlu farklar yöntemi (FDTD) yüzeyaltı görüntüleme ve GPR benzetimlerinde oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. FDTD yönteminin güzelliği zaman düzleminde iki-ve üç boyutlu (2D/3D) görsel canlandırmasının zaman düzleminde kolay bir şekilde gerçekleştirilebilmesinden kaynaklanmaktadır.Bu alanlardaki sayısal benzetimler, yalnızca fiziksel yapısının anlaşılmasında değil aynı zaman bu alanda araştırma yapılabilmesinde de büyük olanaklar sağlamaktadır.Bu çalışmada, yeni ve güçlü bir, iki boyutlu yüzeyaltı görüntüleme aracı GrGPR tasarlanmış ve bu programdan elde edilen yapay verileri kullanarak görüntü oluşturma amaçlı kullanılan görüntü oluşturma algoritması geliştirilmiştir. GrGPR kullanılarak çeşitli yüzeyaltı görüntüleme algoritmaları modellenebilmekte ve çözümlenebilmektedir. Farklı verici/alıcı anten dizilimlerini gerçekleştirilmek ve senaryo içine çeşitli boyut ve elektriksel özelliklere sahip yüzeyler ve gömülü nesneler yerleştirmek mümkün olmaktadır.Tez çalışması kapsamında farklı boyut ve elektriksel özelliklere sahip yüzeyler ve nesnelerden oluşan senaryolar, farklı anten konfigürasyonları ile test edilmiş ve elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Nesne boyutlarının, elektriksel özelliklerinin, anten dizilim ve sayısının etkileri araştırılmıştır. Detection, classification, and/or identification from subsurface imaging (SSI) process is extremely challenging. Applications range from anti-vehicle and anti-personnel land mine detection to early identification of tumors in biological tissues. SSI is based on illuminating an area / object with a sensor (or a group of sensors) and processing forward and/or backward scattered signal. The imaging information is hidden on the difference of electromagnetic (EM) parameters (e.g., permittivity) in the environment. The sensors cover EM, acoustic, seismic transducers, infrared and daytime cameras, etc. Yet, there is neither a single sensor nor a hybrid system fully reliable. SSI challenges are sensor development, waveform design, scan alternatives, array processing, software development (noise elimination, echo cancellation, clutter filtering, leveling, smoothing, etc.), imaging, and performance evaluation.One of the most promising sensors in SSI is the Ground Penetrating Radar (GPR). GPR has many applications ranging from Earth Science to archaeology, medicine to defense, etc. The most significant performance degradation of GPR is its poor performance in highly conductive and heterogeneous media. Other disadvantages include cost, software, operation, and the requirement of a considerable expertise for image interpretation.The Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method has been widely used in SSI and GPR simulations. The beauty of the FDTD method resides on the fact that it is easy to implement and it allows two- and three-dimensional (2D / 3D) visualizations directly in the time domain.Numerical simulations in these areas offer great possibilities not only in understanding physical background of the problem at hand, but also in doing research in these challenging areas.In this study a novel and powerful two-dimensional subsurface imaging virtual tool-GrGPR- is designed and an imaging algorithm, which uses the synthetic data generated via GrGPR, is improved. Via GrGPR several subsurface scenarios can be modeled and solved. Different source/receiver array configurations and several surfaces and objects with various dimensions electrical properties can be involved within the scenarios.In this study, tests with different source/receiver array configurations are performed and results for surfaces and buried objects with various geometrical shapes and electrical properties are discussed. 151