Telekomünikasyon Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

Gözat

Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 5 / 37
  • Öge
    Mobil haberleşme sistemlerinde karıştırıcıların bozucu etkisinin azaltılması
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019-04-19) Sezgin, Aziz Gediz ; Kurt Karabulut, Güneş ; 504912024 ; Telekomünikasyon Mühendisliği ; Telecommunication Engineering
    Kablosuz haberleşme sistemlerindeki hızlı gelişmeler bilginin coğrafi sınırlarının ortadan kalkması için çok önemli bir etkendir. Bu sayede tüm ihtiyaçlarımız için bu teknolojinin sağladığı çözümlerden faydalanabiliyoruz. İhtiyaç kümemizdeki değişim nedeni ile kablosuz haberleşme sistemlerinde ortalama her on yılda bir yeni teknoloji hayatımıza girmektedir. Ses haberleşmesi ile başlayan teknolojik dönüşüm serüveni düşük hızlı veri iletimi ile devam etmiş, sonrasında geniş bant kablosuz internet deneyiminin sağladıkları ile yüksek ve çok yüksek hızlı veri iletimi gereksinimi ortaya çıkmış, devamında da veri iletim gecikmesinin neredeyse gerçek zamanlı olmasını gerektiren ihtiyaçlarımız dönüşümü şekillendirmiştir. Bugün neredeyse dünya nüfusu kadar olan mobil bağlantı sayısı, kablosuz haberleşme teknolojilerinin hayatımızın vazgeçilmezi olduğunu net olarak göstermektedir. Bu rakam aynı zamanda sağlıklı bir şekilde bağlanmanın ne derece kritik olduğunu da ifade eder. Çünkü en önemli doğal kaynak ihtiyaç duyulan ve sahip olunan bilgidir. Daha fazla kullanıcı bağlı hale geldikçe kötü niyetli girişimlerin de etki alanı artacaktır. Özellikle bilgiye erişimin engellenmesi amaçlı harici girişimlere günümüzde sıkça karşılaşılmaktadır. Kablosuz haberleşme sistemleri, harici girişimleri engellemek konusunda kendini geliştiren çözüm mekanizmaları üretmekte ne yazık ki çok esnek değildir. Bu nedenle araştırmacılar için çok önemli bir alan olarak görülen bu alanda yapılan çalışmalar yine de teorik çalışmalardan öteye gidememiştir. Yapılan çalışmaların şebeke uygulamaları, başarım ölçümlemesi ve klasik bağlantı modelleri ile karşılaştırılması da neredeyse yok denecek kadar azdır. Bu tez çalışmasında kablosuz haberleşme sistemlerine yapılacak harici girişimleri önlemek adına literatürde ilk olarak hem donanımsal hem de yazılımsal öneriler sunulmuştur. Bu önerilerin sağlayacağı katkı açıklanmış ve saha denemeleri ile de önerilerin gerçek şebeke trafiği altındaki performansları incelenmiştir. Donanımsal çözümde saha mimarisi gelişimine uygun akıllı anten teknolojilerinin kullanımı sağlanmıştır. Bu çözüm önerisinin klasik şebeke saha mimarisine göre çok daha yüksek oranda harici girişim bağışıklığı gösterdiği gözlenmiştir. Ayrıca kablosuz haberleşme teknolojisi standartları ile çakışmayan, cihaz donanımında da bir değişim gerektirmeyen yeni bir yazılımsal çözüm önerisi ile de harici girişime karşı hızlı bir dönüşümün sağlanması ve bağlı olan terminallerin hızlıca bu girişimden izole edilmesi önerilmektedir. Günümüzde en değerli varlığımız olarak kabul ettiğimiz verilerimizin sağlıklı bir şekilde kablosuz şebeke üzerinden iletimi için sunduğumuz alternatif öneriler ile yüksek verimlilikle bağlantının sağlanması ve harici bozucu girişimlere karşı hızlı önlem alınması sağlanacaktır.
  • Öge
    Yürüyen Dalgalı Tüp Kuvvetlendiricilerinde Tek Helisli Yavaş Dalgalı Yapıların Analizi, Tasarımı ve İncelenmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Ertay, Agah Oktay ; Şimşek, Serkan ; 10271446 ; Telekomünikasyon Mühendisliği ; Telecommunication Engineering
    Haberleşme uydularının vazgeçilmez elemanlarından biri olan yürüyen dalgalı tüp kuvvetlendiricileri, on yıllardır askeri ve sivil sistemlerde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Belirtilen cihazlar istenen bilgi işaretlerinin istenen bölgeye arzu edilen kuvvetlendirme isterlerine sahip genlik ve fazda gönderilmesini sağlamaktadır. Yapısında birçok alt sistem bulunan ve her bir alt sisteminin oldukça karmaşık bir yapıya sahip olduğu bu cihazlar sadece haberleşme uydularında değil aynı zamanda radar ve elektronik harp sistemlerinde de geniş ölçüde kullanılmaktadır. Yürüyen dalgalı tüplerin çalışma mekanizmasındaki en önemli bileşenlerinden biri de yavaş dalgalı yapı düzenidir. Bu düzen içerisinde kullanılan periyodik yavaş dalga devresi olarak, çalışma isterlerine göre değişiklik göstermekle beraber, geniş band gerektiren uygulamalar için çoğunlukla helis tipinde devreler tercih edilmektedir. Bu tipteki devrelerin dispersiyon karakteristikleri, farklı formdaki dielektrik ve metal segment yüklemeleri ile kontrol edilebilmektedir. Arzu edilen frekans karakteristiğinin korunması açısından helisli yavaş dalgalı yapıların simetrik biçimde yüklenmesi oldukça önemlidir. Aksi durumda, belirtilen yükleme işlemleri sırasında malzeme özellikleri ve açısal yerleşimlerin farklılıklarından dolayı asimetrik yükleme durumları oluşabilmektedir. Oluşan asimetri sebebi ile, belirtilen yapıların pi-noktası frekansı civarında durdurma bandı oluşabilmektedir. Bu durum, band ucu osilasyonlarına ve band içi güç boşluklarının oluşmasına yol açmaktadır. Bu sebeple, belirtilen helisli yavaş dalgalı yapıların pi-noktası frekansı ve durdurma bandı analizleri ile amaca uygun pi-noktası frekansı ve durdurma bandı tasarımları oldukça önemli bir durum haline gelmektedir. Asimetrik yüklü helisli yavaş dalgalı yapıların pi-noktası frekansı ve durdurma bandlarının belirlenmesi için literatüre, tezden üretilen ve özgün yardımcı fonksiyonlar kazandırılmıştır. Önerilen yeni yöntem, farklı tipteki simetrik/asimetrik birim hücreli periyodik yapıların iletim/durdurma band bölgelerinin belirlenmesinde de kullanılabilmektedir. Bu bağlamda, belirtilen kapsamlı yöntem, dikdörtgen dalgakılavuzlarında ve fotonik kristallerde başarı ile uygulanmıştır. Ele alınan örneklerde, önerilen yeni yönteme ait sonuçlar, literatür ve lisanslı elektromagnetik benzetim programlarına ait sonuçlar ile doğrulanmıştır ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Tek Floquet modlu özdeğer denklemine band ucu koşullarının zorlanmasıyla yeniden formüle edilmiş ve ilk olarak asimetrik/simetrik birim hücreli helisli yavaş dalgalı yapıların pi-noktası ve durdurma bandlarının belirlenmesinde kullanılan yeni bir bilimsel yöntem önerilmiştir. Mümkün olabilen tüm asimetrik durumlar sırasıyla dielektrik yüklü, dielektrik ve metal segment yüklü helisli yavaş dalgalı yapılar için analiz edilmiştir. Ele alınan örneklerde uygulanan yeniden formüle edilmiş yöntem ile elde edilen sonuçlar, literatür sonuçları ile doğrulanmıştır ve tutarlı sonuçlar elde edildiği gözlenmiştir. Amaca uygun pi-noktası frekansının belirlenmesi ve pi-noktası frekansı civarındaki durdurma bandlarının tasarımı için basit ve oldukça hızlı bir tasarım prosedürü önerilmiştir. Önerilen tasarım prosedürü için literatürde mevcut farklı parametre değerlerine sahip dikdörtgen ve dairesel dielektrik yüklü helisli yavaş dalgalı yapılar ele alınmıştır. Önerilen yöntemler ile elde edilen sonuçlar, literatür ve lisanslı elektromagnetik benzetim ortamı sonuçları ile doğrulanmıştır ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Genişbandlı yürüyen dalgalı tüplerde kullanılan helisli yavaş dalgalı yapıların dispersiyon karakteristiklerinin belirlenmesinde hızlı ve etkili bir yöntem önerilmiştir. Belirtilen yöntem tek Floquet moduna ait özdeğer denkleminin çözümüne dayanmaktadır. Literatürde mevcut dikdörtgen, dairesel, T-çubuk ve dielektrik & metal segment yüklü helisli yavaş dalgalı yapıların dispersiyon karakteristikleri belirtilen yöntem kullanılarak elde edilmiştir. Ele alınan problemlerde önerilen yöntem ile elde edilen sonuçlar; literatürde mevcut deneysel, alan analizi sonuçları ve lisanslı elektromagnetik benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin görece düz dispersiyon karakteristiğine sahip helisli yavaş dalgalı yapılarda daha uyumlu sonuçlar verdiği görülmüştür.
  • Öge
    Low‐complexity detection and cooperative communication for spatial modulation systems
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2018) Altın, Gökhan ; Çelebi, Ertuğrul ; 10182820 ; Telekomünikasyon Mühendisliği ; Telecommunication Engineering
    Kanal sığasını ve güvenilirliğini artırmada etkili bir rol oynayan, verici ve alıcıda çok sayıda antenin bulunduğu çok-girişli çok-çıkışlı (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) sistemler yeni nesil iletişim sistemleri için en önemli yöntemlerden biridir. Bu nedenle, MIMO sistemler araştırmacılar tarafından üzerinde çokça çalışılmış konulardan olmuştur. Bu çalışmalar sonucunda iki önemli MIMO iletim tekniği geliştirilmiştir. Bunlar, uzay-zaman blok kodlama (space-time block coding, STBC) ve uzaysal çoğullamadır (spatial multiplexing). Uzaysal çoğullamanın en önemli kod çözme uygulaması olan V-BLAST (Vertical-Bell Lab Layered Space-Time) yönteminde tüm antenlerin iletimde olması nedeniyle yüksek derecede kanallar arası girişim (Inter-Channel Interference, ICI) oluşmakta, bu da hata performansı açısından optimum olan en büyük olabilirlikli (Maximum Likelihood, ML) sezim yönteminin performansından uzaklaşılmasına neden olmaktadır. Yine aynı şekilde STBC'nin alıcı karmaşıklığı işaret kümesinin boyutu ile üstel şekilde artmaktadır. Son yıllarda bahsedilen bu çoğullama yöntemlere alternatif olarak uzaysal modülasyon (Spatial Modulation, SM) tekniği geliştirilmiştir. SM'in temel prensibi iki boyutlu sinyal kümesine üçüncü bir boyut olarak uzayın (anten indisi) da eklenmesidir. Sinyal sadece klasik genlik/faz modülasyonu (amplitude/phase modulation, APM) ile degil aynı zamanda anten indisi ile de taşınmaktadır. Böylece belirli bir anda vericide sadece tek bir anten aktif oldugundan ICI tamamen ortadan kaldırılmış olmakta, aynı zamanda da yine vericide tek bir radyo frekans katı yeterli olmaktadır. Jeganathan ve arkadaşları tarafından ise SM'in özel bir hali olan uzay kaydırmalı anahtarlama (space shift keying, SSK) yöntemi ortaya atılmıştır. Burada ise klasik APM işaretleri gönderilmemekte, sadece anten indisi ile bilgi taşınmaktadır. Böylelikle sistem karmaşıklığı azaltılmakta ancak aynı anten sayısı için SM'e göre veri hızı düşük kalmaktadır. SM ve SSK'da tek bir antenin aktif olması aynı anten sayısı için diger çoğullama tekniklerine göre veri hızında düşüşe neden olmaktadır. Veri hızını artırmak amacıyla genelleştirilmiş uzaysal modülasyon (generalized SM, GSM) yöntemi geliştirilmişitir. GSM'de birden fazla anten aktif olmakta ve bilgi hem APM işaretleri ile hem de anten kombinasyonları ile taşınmaktadır. Ancak burada da birden fazla anten aktif olduğu için ICI söz konusu olacaktır. SM sisteminde bilgi hem anten boyutunda hem de APM boyutunda taşınması nedeniyle kanal sığasının hesaplanması da geleneksel yöntemlerden biraz daha farklı olacaktır. SM'de hem APM boyutu hem uzay boyutu olması nedeniyle, SM sığası bu iki boyutun sığalarının toplamı kadardır. Kesinti olasılığı da o sistemde kanalın veri hızını destekleyip desteklemeyecegi yani kanal sığasıyla ilintili olduğundan, SM'in kesinti olasılıgı analizi de yine klasik sistemlerden farklı olacaktır. Kesinti olasılığı hesaplanırken kanalın anlık sığasının bilinmesi gerekmektedir. Bu tezde ilk olarak, daha önce literatürde çalışılmamış olan kanalın anlık sığası verilmiştir. Bu sığaya bağlı olarak SM'in kesinti olasılığı analizi yapılmış ve kesinti olasılığı açısından SM sisteminin klasik sistemlere göre daha düşük hata başarımına sahip oldugu gösterilmiştir. SM sistemlerinde en uygun hata performansı ML kod çözücüler ile sağlanmaktadır. ML yönteminde olası tüm APM sembolleri ve anten indisleri taranacağından hesaplama karmaşıklıgı özellikle yüksek anten sayıları ve işaret kümeleri için çok fazla olacaktır. Aynı zamanda, GSM'de birden fazla antenin aktif olması nedeniyle antenler arası girişim oluşacagından, alıcı karmaşıklığı daha da artacaktır. Bu çalışmada, ikinci olarak, SM sistemleri için (özellikle GSM sistemi için) düşük karmaşıklığa sahip yeni bir kod çözme algoritması geliştirilmiştir. Algoritma iki evreye ayrılabilir: birinci evrede, anten kombinasyonlarının alt en uygun çözümünü bulmak için ML kod çözmede gönderilen işaretin en küçük kareler (least squares, LS) kestirimi kullanılır. Burada arama uzayını düşürmek için anten kombinasyonlarının hepsi değil sadece N adet en iyi kestirimi seçilir. İkinci evrede ise bu küçültülmüş küme ile bu kümeye baglı gönderilen işaretin LS kestirimi, doğru anten kombinasyonunu ve APM işaretini bulmak için ML kod çözücüye gönderilir. Benzetim sonuçları göstermiştir ki, geliştirilen bu yeni algoritma hem çok düşük bir karmaşıklığa sahiptir hem de hata olasılığı açısından en uygun çözüm olan ML sonucuna yakın sonuç vermektedir. Son yıllarda özellikle küçük boyutlu kablosuz cihazlara yönelim giderek artmaktadır. Aynı zamanda yine bir çok cihaz donanım karmaşıklığına sahiptir. Hem boyut, hem donanım karmaşıklığı, söz konusu cihazlara ancak tek bir antenin yerleştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Yukarıda bahsedildiği gibi MIMO sistemlerin avantajlarını elde etmek için alıcı ve/veya vericide birden çok antene ihtiyaç duyulmaktadır. İşte bu dezavantajı avantaja çevirmek için çok kullanıcılı (veya röleli) ortamda anten paylaşımı esasına dayanan ve bir nevi sanal MIMO sistem oluşturmayı hedefleyen işbirlikli haberleşme (cooperative communication) ortaya atılmıştır. İşbirlikli haberleşme ile dağıtık anten dizisi oluşturularak bir esneklik kazanılmış ve aynı zamanda uzaysal çeşitlilik elde edilmiştir. Bir işbirlikli senaryoda, birinci aşamada, kaynak (source, S) kendi bilgisini röle (relay, R) ve hedefe (destination, D) göndermektedir. İkinci aşamada ise R aldıgı bu bilgiyi çeşitli yöntemlerle D'ye aktarır. R'nin kullandığı yöntem işbirlikli haberleşme sisteminin yapısını ve protokollerini oluşturmaktadır. Genel olarak iki yöntem ön plana çıkmaktadır. Birinci yöntemde, R aldığı bilgiyi sadece kuvvetlendirerek aktarır, kuvvetlendir-ve-aktar (amplify-and-forward, AF). Burada sinyalin gücü artırıldığı gibi gürültüde kuvvetlendirilecektir. İkinci yöntemde ise R aldığı bilgiyi çözüp tekrar kodlayarak D'ye aktarır, çöz-ve-aktar (decode-and-forward, DF). Burada ise R hata yaptığı durumda D'ye bu hatalı işaret gönderilecek ve bir hata yayılımı söz konusu olacaktır. Bu yöntemlere ilave olarak dinamik yöntemlerde kullanılmaktadır. DF yönteminde hata yayılımı nedeniyle D'de bir çeşitleme gelmeyecektir. O halde, DF yönteminde çeşitlemenin artması R'nin bilgiyi doğru çözmesine bağlıdır. Eğer S ve R arası kanal güvenirliği (anlık sinyal gürültü oranı, SNR) yeterli ise R iletime katılmakta aksi halde S kendi bilgisini tekrar göndermektedir. Seçmeli röle (selection relaying, SR) olarak adlandrılan bu yöntem ile röle her zaman iletimde olmamakta, böylelikle röleden kaynaklanacak hata yayılımı azalmaktadır. AF ve DF yöntemlerinde alınan işaret D tarafından doğru çözülecek olsa bile R aldıgı bilgiyi iletmektedir. Bu durum veri hızında düşüşe neden olmaktadır. Eğer S ve D arası kanalın güvenirliği yüksek ise R'nin yayın yapmama esasına dayalı olan ve artımlı röle (incremantal relaying, IR) olarak adlandırılan yöntemde ise, S ve D arası SNR'ın belirli bir eşik değerinden yüksek olması durumunda R iletime katılmamakta, eşik seviyesinden düşük ise R iletime katılmaktadır. Böylelikle, ikinci evre har zaman olmadığından veri hızı artırılmış olmaktadır. Bu tezde, hem SM'in hem de işbirlikli haberleşmenin avantajları birleştirilerek yeni bir sistem yapısı ortaya konulmuş ve önceki bölümlerde verilmiş olan SM'in kesinti olasılığı analizi bir aşama daha ileriye taşınarak işbirlikli SM sisteminin kesinti olasılığı analizi yapılmıştır. Sabit AF ve DF yöntemlerine ek olarak literatürdeki diğer yöntemler olan DF-SR, DF-IR ile AF-IR yöntemlerinin de kesinti olasılığı analizleri yapılmıştır. Yine burada da kesinti olasılığı açısından işbirlikli SM sistemi klasik işbirlikli sistemlerle karşılaştırılmış ve daha düşük kesinti olasılıkları elde edilmiştir. Ayrıca, SM'in ve işbirlikli haberleşmenin avantajlarının kullanıldığı, daha önce literatürde olmayan tüm noktalarda (S, R ve D) çoklu antenlerin kullanıldığı yeni bir işbirlikli SM sistemi hem AF hem de DF tekniği açısından incelenmiştir. Literatürde bulunan önceki çalışmalar genel olarak SM'i değil SSK'yi kullanmış aynı zamanda bu çalışmaların çoğu R ve D'de tek alıcı ve/veya verici anten olduğu varsayımını yapmıştır. Bilindiği gibi, SM/SSK bilgi bitlerini anten indisine eşlemek için en az iki antene ihtiyaç duyar. Ayrıca, R'de tek bir anteni bulunan DF işbirlikli SM sistemi, S'den aldığı bilgiyi R'nin çözüp tekrar SM sembolüne kodlayamayacak olmasından dolayı eksik bir işbirlikli SM sistemi olacaktır. Bunun yanında, SM'in klasik yöntemlere göre hata başarımının daha iyi olması için alıcıda en az iki antenin olması gerekmektedir. Bilindiği kadarıyla, literatürde hem R hem de D'de çok antenin bulunduğu kapsamlı bir işbirlikli SM çalışması yoktur. Bu çalışmada, MIMO-DF SM sistemi ile gönderilen işaret R tarafından çok sayıdaki alıcı anten ile alınarak çözülür. İkinci evrede R çözülen işareti tekrar SM işaretine eşler ve D'ye gönderir. D ise çok sayıdaki alıcı anteni ile hem S'den gelen hem de R'den gelen işaretleri alarak ML kod çözme uygular. MIMO-AF SM sistemi ile de birinci evrede S'den gönderilen SM işareti R'de tüm antenlerden alınır, kuvvetlendirilir ve yine tüm antenlerden D'ye akatarılır. D'de yine S ve R'den gelen işaretler için ML kod çözme uygulanarak karar verilir. Çalışmada hem MIMO-AF hem de MIMO-DF sistemleri için ortalama bit hata olasılığı çıkarılmış ve bilgisayar benzetimleri ile doğruluğu sınanmıştır. Ayrıca, bu iki yöntem M'li modülasyon kullanan klasik işbirlikli haberleşme sistemleri ile de bit hata olasılığı açısından karşılaştırılmıştır. Bilgisayar benzetimleri göstermiştir ki, çıkarılan analitik bit hata olasılığı ifadeleri ile bilgisayar benzetim sonuçları örtüşmektedir. Aynı zamanda, işbirlikli SM sistemleri klasik işbirlikli sistemlere göre dikkate değer ölçüde hata performansında iyileştirme sağlamıştır. Son olarak, MIMO-AF ile MIMO-DF SM sistemlerinin karşılaştırmaları verilmiştir.
  • Öge
    Analysis of wave propagation characteristics and design Methods in two dimensional photonic bandgap structures
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Erkan, Onur ; Şimşek, Serkan ; 10284438 ; Telekomünikasyon Mühendisliği ; Telecommunication Engineering
    Son yıllarda gelişen kablolu ve kablosuz haberleşme teknolojileriyle birlikte yüksek bant genişliğine ihtiyaç duyan uygulamaların kullanımı artmış, bu da beraberinde veri kullanım oranının yükselmesine sebep olmuştur. Bu durum taşıyıcı ortamda bant genişliklerinin etkin kullanımı gereksinimini doğurmuştur. Genellikle GHz bölgesindeki frekanslarda veri iletiminde, sınırlanmış kesite sahip tek iletkenli veya dielektrik dolu yapılar kullanılarak elektromanyetik dalganın kılavuzlanması sağlanmaktadır. Benzer şekilde optik frekanslarda da iletken duvarı olmayan dielektrik tabaka ve çubuklar da temelde dielektrik ortama sınırlanmış veya kılavuzlanmış dalga modlarını destekleyebilmektedir. Böylece THz bölgesindeki frekanslarda malzemelerin dielektrik geçirgenliklerine göre mikrometre ve daha küçük boyutlarda optik dalga kılavuzları, kaviteler ve rezonatörler gibi uygulamalar tasarlanabilmektedir. Dalga kılavuzlarının bir alt araştırma konusu olan periyodik katmanlı yapılarda dalga propagasyonu uzun yıllardır bilim insanları ve mühendislerin ilgisini çekmiştir. Haberleşme teknolojilerinde ise periyodik yapılar, mikrodalgadan optik frekansa kadar değişen geniş bir frekans bölgesinde elektromanyetik dalganın iletimi, yansıması ve kılavuzlanması gibi temel mühendislik problemlerinde yer bulmuştur. Periyodik yapıların tasarımında kullanılan çeşitli metalik ve dielektrik malzemeler arasında fotonik kristaller, fabrikasyon sonucu her üç boyutta da periyodiklik özelliği kazandırılabilen yapılardır. Fotonik kristallerin teknolojik olarak çok sayıda uygulama alanı bulunması ile birlikte haberleşme, elektronik devreler ve tıp uygulamaları gibi alt başlıklarda yoğun olarak incelenmektedir. Değişen dielektrik özellikleri ile periyodik olarak dizilimleri sonucu belirli frekans bölgesinde sergiledikleri iletim/durdurma karakteristikleri (fotonik bant aralığı, PBG) sebebiyle THz bölgesindeki uygulamalarda popüler olarak tercih edilen malzemeler arasındadır. Fotonik kristaller istenen bant aralığı özelliklerini sergilemek üzere uyarlanabilmektedir. Bir boyutlu (1D), iki boyutlu (2D) ve üç boyutlu (3D) fotonik kristallerin periyodik, yarı-periyodik, kare, üçgen vb. örgü yapılarında dizilimleri sonucu ortaya çıkan bant yapılarının belirlenmesi, iletim-yansıma katsayılarının hesaplanması ve analizi üzerine kayda değer sayıda çalışmalar yapılmıştır. En basit haliyle farklı kırılma indisine sahip dielektrik malzemelerin farklı dizilimlerde uygun şekilde tasarımı ile ışığın istenen doğrultu ve belirli frekans bölgesinde ilerleyebilmesini/sınırlandırılmasını sağlayan yapıların analizi, gerçekleme ve simülasyon çalışmaları bu alandaki en önemli araştırma konuları haline gelmiştir. Günümüzde nanometre boyutlarında malzemelerin fabrikasyonunda elde edilen iyileştirmeler sayesinde düşük güçle çalışan ve optik spektrumun verimli kullanılmasını sağlayacak fotonik kristal temelli optik filtreler, dalga kılavuzları, elektro-optik modülatörler, güç bölücüler, kutuplayıcılar, algılayıcılar gibi bileşenlerin tasarlanması mümkün olmuştur. Fotonik kristallerin bant yapısının belirlenmesi birçok mühendislik uygulamasında ve tasarım probleminde önemli rol oynamaktadır. Hassas fabrikasyon süreci öncesinde tasarım aşamasında gerek duyulan sayısız modelleme işlemine hızlı tepki verecek etkin bir matematiksel model arayışı literatürde bulunan çalışmalarda farklı bakış açıları ile incelenmeye devam etmektedir. Periyodik yapıların dalga propagasyonu problemini çözmek için sonlu sayıda birim hücre içeren sonlu periyodik yapılar ve sonsuz sayıda kaskat bağlı birim hücreden oluştuğu varsayılan yapılar referans alınmaktadır. Sonlu periyodik yapıda (yarı-periyodik) birim hücre yaklaşımı, yapının dispersiyon karakteristiği için yaklaşık bir çözüm sağlamakta olup bu yaklaşımın doğruluğu da kullanılan birim hücre sayısı artırılarak yükseltilebilmektedir. Fakat birim hücre sayısının artması cevabın doğruluğunu artırırken, hesaplama yükündeki artışı da beraberinde getirmektedir. Literatürde yer alan geleneksel yaklaşımlar özdeğer denkleminin çözümüne dayanan yöntemlerdir. Bu yaklaşım özellikle katman arayüz geçişlerinde çok sayıda özdeğer denkleminin hesaplanmasını gerektirdiğinden verimsiz hale gelmekte ve hesap uzayında büyük bellek kaynakları gerektirmektedir. Bu sebeple tez çalışmasında, fotonik bant aralığı karakteristiklerini belirlemeyi sağlayacak alternatif yöntemler araştırılmış ve geliştirilmiştir. Bu bağlamda mikrodalga tekniği çerçevesinde daha önce geliştirilen genelleştirilmiş saçılma matrisi kullanılarak iletim/durdurma bant bölgelerinin kestirimi yöntemi optik THz bölgesine uygulanarak iki boyutlu periyodik yapının bant aralığı analizine genişletilmiş ve bu bölgedeki tasarım çalışmalarına entegre edilmiştir. Fotonik bant aralığı yapısının tam dalga analizi sonsuz periyodik yapıda desteklenen Floquet modları hesaplanarak, başka bir deyişle sonsuz periyodiklikte olduğu varsayılan birim hücre için izin verilen veya sınırlanan bant kenar frekansları bulunarak ele alınır. Böylece sonsuz periyodik birim hücreden oluşan yapının iletim/durdurma bant bölgelerinin belirlenmesi Floquet koşulu altında birim hücrenin özdeğer denkleminin çözümüne indirgenmektedir. Çalışmada, önerilen teknik, problemi basit bir kök bulma algoritmasına indirgeyerek, tek Floquet modlu bölgede bulunan iletim/durdurma band geçiş frekansları için doğru kestirimler elde edilmiştir. Genelleştirilmiş Saçılma Matrisi Yardımcı Fonksiyonları (AFGSM: Auxiliary Functions of Generalized Scattering Matrix) yöntemi olarak literatüre giren yaklaşım ile periyodik yapının dispersiyon karakteristiğinin elde edilmesi işleminde geleneksel yöntemlere göre sayısal iş yükünün azaltıldığı gösterilmiştir. Önerilen yöntemin fotonik bant aralığı analizinin yanı sıra tasarım amacıyla ters problem çözümü şeklinde birim hücre parametrelerinin belirlenmesinde etkili olarak kullanılabilineceği tez çalışmasında elde edilen sonuçlarla ortaya konulmuştur. Fotonik kristallerin belirli bir frekans bandında geliş açısından ve polarizasyondan bağımsız olarak tam yansıtıcılık gösterdiği frekans bandı tümyönlü yansıtıcı bant aralığı (OBG: omnidirectional bandgap) olarak adlandırılmaktadır. Tez kapsamında yapılan konferans bildirileri ve ulusal dergilerde yayınlanmış çalışmalarda önerilen yöntem kullanılarak geniş bantlı tümyönlü yanısıtıcı tasarımı yapılmış elde edilen sonuçlar düzlem dalga açılım yöntemi (PWE: Plane Wave Expansion) ile doğrulanmıştır. Bu özellik sayesinde fotonik kristaller dağılmış geri-beslemeli lazerler, dielektrik Fabry-Perot filtreler, ayarlanabilir polarizörler, dar-bandlı filtreler ve dielektrik yansıtıcılar gibi çok sayıda önemli uygulamada yoğun olarak kullanılmaktadır. Günümüzde mobil ve sabit haberleşme şebekelerinin temel altyapısını oluşturan fiber optik haberleşme sistemlerinde uzak mesafelere yüksek kapasiteli veri aktarımı yeterince yüksek bant genişlikleri ile mümkün olmaktadır. Yüksek band genişliği ise kısıtlı frekans spektrumunun etkin bir şekilde kullanılabilemesi için sık ve dar bandlı filtrelerin uygulanmasını gerektirir. Tümyönlü yansıtıclara ek olarak tez çalışmaları kapsamında telekomünikasyon sistemlerinde Yoğun Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama (DWDM) birleştirici ve çoğullayıcı (MUX DEMUX) olarak kullanılan fotonik kristalli dört kanallı optik filtrelerin tasarımı yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar ulusal konferaslarda sunulmuştur. Tezi oluşturan bölümler kısaca şu şekilde özetlenebilir: Tezin ilk bölümü kapsamlı bir literatür taraması ve tez amacını vermektedir. İkinci bölüm, periyodik yapılarda dalga yayılımını özetleyerek periyodik yapılarda dalga propagasyonuna ilişkin temel teorik kavramları hatırlatmaktadır. Üçüncü bölümde iki boyutlu problem geometrisinin bant aralığı analizi yapılmıştır. Önerilen yöntemde öncelikle efektif ortam teorisi (EMT: Effective Medium Theory) ile problem bir boyutlu eşleniğine uygun olarak indirgenmiş, bir boyuta indirgenen problem geometrisi için ise iletim-durdurma bant kenar frekanslarının tespitinde AFGSM yöntemi etkili ve hızlı bir şekilde uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar CST benzetim programının çıktıları ve literatürde yer alan benzer problem sonuçlarıyla doğrulanmıştır. Bu yaklaşım, iki boyutlu geometrilerin bant karakteristiğinin çözümünde kullanılmak üzere literatüre Hibrid Yöntem (HM) ismiyle önerilmiştir. Tezin dördüncü bölümünde ise, iki boyutta sonlu periyodik yapının tam dalga analizi için Kesin Kuple Dalga Analizi (RCWA: Rigorous Coupled Wave Analysis) ve Genelleştirilmiş Saçılma Matrisi (GSM) yöntemleri birleştirilerek 2D yarı periyodik yapının birim hücre saçılma matrisi hesaplanmıştır. Sonsuz periyodik yapının iletim-durdurma band kenar frekansları ise AFGSM yöntemi kullanılarak tespit edilmiş ve böylece çalışma iki boyutlu fotonik bant aralığı yapısının kapsamlı ve tam dalga analizine genişletilmiştir. İki boyutlu dikdörtgen ve üçgen dizilimli, kare ve dairesel dielektrik sütun kesitine sahip problem geometrileri modellenmiş ve önerilen yöntemin uygulanabilirliği test edilmiştir. Dispersiyon diyagramı üzerinde iletim-durdurma bantlarını veren sonuçlar literatürde yeralan benzer çalışmalar ve HFSS benzetim programından elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır, oldukça tutarlı sonuçların elde edildiği görülmüştür. Beşinci bölümde ise yöntemin ultraviyole, görünür bölge ve kızılötesi bölgesinde geçerliliğinin irdelenmesi amacıyla Lazer Taramalı Mikroskobi (LSM) uygulamalarında kullanılan band geçiren, band durduran, dikroik ve çentik filtre bileşenleri AFGSM yöntemine dayanan yeni algoritmalar kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarlanan filtre karakteristikleri endüstride ticari olarak kullanılan filtre parametreleri ile kıyaslanmıştır. Tez çalışması kapsamında genel anlamda periyodik yapıların iletim durdurma band bölgelerinin tespiti özelde ise farklı dizilim ve kesit alanına sahip dielektrik sütunlardan oluşan iki boyutlu fotonik bant ileten/durduran yapıların bant aralığı karakteristiklerini ortaya koyan bant kenar frekanslarının kestirimi için kapsamlı ve özgün yöntemler literatüre kazandırılmıştır. Sonuç olarak yapılan analizler ve tasarımlar literatürdeki farklı sonuçlar ile karşılaştırılmış ve hesaplama süresi açısından doktora tezinde önerilen yöntemlerin benzetim simülasyonlarına ve bilinen diğer sayısal yöntemlere göre oldukça hızlı olduğu gösterilmiştir.
  • Öge
    Three-dimensional analysis of radiowave propagation over regular and irregular perfectly conducting terrain
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2018) El Ahdab, Zeina ; Akleman, Funda ; 10185134 ; Telekomünikasyon Mühendisliği ; Telecommunication Engineering
    Gelişen teknolojinin bir sonucu olarak, bir noktadan başka bir noktaya veya birden fazla noktaya kablosuz bilgi aktarımı yapılması her alanda var olan bir ihtiyaç haline gelmiştir. Radyo dalgası iletimi, yerküre üzerinden sağlanan kablosuz iletişime imkân tanıyan yöntemlerin en başında gelmektedir ve aynı zamanda geçtiğimiz yüzyıl boyunca birçok çalışmaya konu edilmiş oldukça zorlu bir analiz problemidir. Bu tezde, dalga denklemine uygulanan PE yaklaşımı üzerine kurulmuş olan radyo dalgası yayılım analizi yaklaşımlarını içermektedir. İki özgün yaklaşık yöntem olan, çift yönlü 3-D PE yaklaşımı ve FDTD-PE hibrit yaklaşımı önerilmektedir. Bu yöntemlerin farklı yayılım uzaylarında benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Temel hedef olarak görülen elektromanyetik alanların kesin değerlerinin, çok hızlı ve etkin sayısal yöntemlerle yaklaşık olarak elde edilmesi işlemi yapılan çalışmalar sonucunda başarılmıştır.