Antenlerin hızlı ve doğru tasarımı için esnek hesaplamaya dayalı sayısal karma yöntemler

Abstract

Mikrodalga devre ve sistemlerin karmaşıklığındaki artıştan dolayı basitleştirilmiş teorik modeller, yapının performansının doğru şekilde tespit edilmesinde artık yeterli gelmemektedir. Bu yüzden tasarım güvenilirliğini garantiye almak için tam-dalga elektromagnetik analizin kullanımı zaruri olmuştur. Bunun yanında simülasyon (benzetim) yazılımları ve bilgisayar donanımlarındaki gelişmelere rağmen nümerik optimizasyon algoritmaları hala yüksek hesaplama yükü ve maliyetine sahiptir. Yüksek kalitede modellemeler mikrodalga sistemlerinin daha iyi ve verimli şekilde tasarımını mümkün kılmıştır. Anten analizi ve sentezi için de bu modellemeleri kullanan elektromagnetik tabanlı bazı simülasyon yazılımları geliştirilmiştir. Böylece daha büyük ve karmaşık sistemler tasarlanabilmektedir. Fakat elektromagnetik simülasyonların hesaplama yükleri çok fazladır. Tasarım parametreleri arttıkça yazılımlar ile yapılan analizlerde işlem yükü ve harcanan zaman artmaktadır. Antenlerde istenilen cevabı almak için fiziksel yapısındaki değişiklikler için optimizasyon işleminin uygulanması gerekir. Tasarımcının bilgi ve tecrübesi yeterli olsa da deneme yanılma yöntemiyle tekrarlı olarak yazılımların çalıştırılması tasarım süresini uzatmaktadır. Tasarım karmaşıklığı arttıkça daha yüksek doğrulukta ve hızda tasarım yöntemleri gerekmektedir. Bu çalışmada, anten tasarımı için hesaplama süresini kısaltmak ve sonuçları yüksek doğrulukla elde etmek için yeni karma yöntemlerin geliştirilerek kullanılması amaçlanmıştır. Hesaplama süresini kısaltmak ve istenilen performansa en yakın performansı veren anten yapısını tasarlayabilmek için de Esnek Hesaplamaya (EH) dayalı sayısal karma yöntemlerin geliştirilmesi ve daha sonra anten tasarımda kullanılması hedeflenmiştir. "Esnek Hesaplama", 1994 yılında Lotfi A. Zadeh tarafından ortaya atılmıştır. EH, kesin olmayan ve belirsiz koşullar içeren problemler için gözlenebilir, güvenilir ve düşük maliyetli çözümler sağlayan bir grup yöntemi ifade eder. EH tekniklerinde elde edilen sonuçlar matematiksel olarak kesin değildir ve yaklaşık optimum sonuçlar elde edilir. EH, çeşitli hesaplama tekniklerinin toplamıdır. Bazı EH teknikleri ve uygulamaları arasında bulanık mantık, evrimsel algoritmalar, Yapay Sinir Ağları (YSA) ve Destek Vektör Makineleri (DVM) gibi yöntemler yer alır. Bu tez çalışmasında literatürde verilen ve sık kullanılan evrimsel algoritmaların yanında yeni karma optimizasyon algoritmaları da geliştirilmiş ve anten tasarımlarında kullanılmıştır. Bu tezin birinci bölümünde tezin amacı ortaya koyulmuş, bu konuda literatürde yapılan çalışmalara kısaca değinilmiştir. İkinci bölümde ise anten tasarımı için gereken önemli parametreler ve tanımları verilmiştir. Ayrıca literatürde yaygın olarak kullanılan bazı elektromagnetik simülasyon yazılımları anlatılmıştır. Üçüncü bölümde tez çalışmasında kullanılan esnek hesaplama yöntemlerinden bahsedilmiştir. YSA, Destek Vektör Regresyonu (DVR) yöntemlerinin yanında Genetik Algoritma (GA), Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) ve Taguchi Algortiması (TA) gibi literatürde verilen bazı evrimsel algoritmaların akış diyagramları verilerek ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Daha sonra bu tez çalışmasında yeni geliştirilen Konveks-Genetik-Taguchi Algoritması (KGTA), Hibrit (Karma) Parçacık Sürü Taguchi Optimizasyonu (HPSTO) ve Taguchi-Genetik-Parçacık Sürü Optimizasyonu (TAGAPSO)'nun detayları açıklanmış ve akış şemaları verilmiştir. Yeni geliştirilen bu karma yöntemlerin performansları literatürde verilen bazı test fonksiyonları yardımıyla incelenmiştir. Test sonuçları, yeni geliştirilen karma yöntemlerin içerdikleri yöntemlere göre üstünlüklerini göstermiştir. Dördüncü bölümde ise tez çalışmasında geliştirilen EH tabanlı karma yöntemler ile literatürde verilen bazı yöntemler birlikte veya ayrı ayrı kullanılarak özgün mikroşerit antenlerin, konformal antenlerin ve anten dizilerinin tasarımları yapılmıştır. Tasarım işlemleri için HFSS ve MATLAB yazılımları kullanılmıştır. HFSS ve MATLAB ile elde edilen simülasyon ve optimizasyon sonuçlarıyla karşılaştırmalar yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda önerilen karma yöntemlerin üstünlükleri ortaya konulmuştur. Ayrıca tasarımı yapılan antenlerden bir tanesi gerçeklenerek teorik yaklaşımla elde edilen sonuçların doğruluğu gösterilmiştir. İlk olarak bir silindirik dikdörtgen mikroşerit konformal antenin tasarımı GA tabanlı YSA yaklaşımı, GA tabanlı DVR yaklaşımı ve HFSS'in optimizasyon aracı kullanılarak yapılmıştır. GA tabanlı YSA, GA tabanlı DVR ve HFSS optimizasyonun sonuçları gereken süre ve doğruluk yönünden karşılaştırılmış ve DVR'nin üstünlüğü görülmüştür. Daha sonra silindirik dikdörtgen halka mikroşerit konformal anten tasarımında PSO tabanlı YSA ve DVR yaklaşımları kullanılmıştır. DVR'de kernel fonksiyonu olarak Radyal Temelli Fonksiyon (RTF)'nin yanında dalgacık kernel fonksiyonları da kullanılmıştır. Bilindiği kadarıyla dalgacık kernel fonksiyonları DVR ile anten tasarımında ilk defa kullanılmıştır. Anten tasarımında eğitim süresi ve doğruluk bakımından dalgacık kernel fonksiyonlarının RTF ve YSA'ya olan üstünlükleri gösterilmiştir. Anten tasarımı PSO tabanlı yaklaşımla yapılırken dalgacık kernelleri kulanıldığına RTF kerneline göre daha az iterasyon ve zaman gerekmiş ayrıca daha doğru sonuçlar elde edilmiştir. Bir sonraki çalışmada, WLAN'ın iki frekans bandında da çalışacak çift yarıklı bir mikroşerit anten tasarımı DVR yaklaşımı ile yapılmıştır. Bilindiği kadarıyla iki bantta çalışacak antenin DVR ile tasarımı ilk defa yapılmıştır. Çift yarıklı dikdörtgen mikroşerit antenin oluşturulan DVR modeli istenen rezonans frekansını veren yarık boyutu değerlerini bulmak için kullanılmıştır. DVR modeli tersine bir şekilde çalıştırıldığı için ilave bir optimizasyon yöntemi kullanılması gerekmemiştir. Aynı yama boyutları ve taban malzemesine sahip analitik fonksiyonlar kullanılarak tasarlanan klasik dikdörtgen mikroşerit anten (DMA)'e göre antenin performans çıktılarındaki iyileşmeler gösterilmiştir. Diğer bir çalışmada, DVR modeli yaklaşımıyla anten yamasına birden fazla yarık ve yay-kesiği uygulanarak, istenen rezonans frekansları ve kazanç değerlerine sahip üç bantlı özgün bir mikroşerit anten tasarlanmıştır. Bilindiği kadarıyla üç bantta çalışacak anten ilk defa DVR yaklaşımı ile tasarlanarak gerçeklenmiştir. DVR yaklaşımı ile tasarlanan antenin HFSS simülasyon sonuçları ve gerçeklenen antenin ölçüm sonuçları verilmiştir. Gerçeklenen antenin performansı literatürde verilen üçlü bant özelliğine sahip antenler ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, karşılaştırma amacıyla HFSS'deki optimizasyon aracı kullanılarak anten yeniden tasarlanmıştır. DVR model yaklaşımı ve HFSS optimizasyonu ile tasarım, sonuçlarının doğruluğu ve tasarım süresi bakımından karşılaştırılmıştır. Daha sonra doğrusal anten dizilerinin YDS ve YGDG'lerini istenilen değerlerde elde etmek için yeni geliştirilen KGTA, HPSTO ve TAGAPSO karma optimizasyon algoritmaları kullanılmıştır. Yeni geliştirilen karma algoritmalar ile elde edilen sonuçlar içerdikleri diğer algoritmalarla elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak üstünlükleri ortaya koyulmuştur. Son bölümde ise tez çalışması genel olarak özetlenerek elde edilen sonuçlar kısaca açıklanmış ve gelecekteki çalışmalar için öneriler sunulmuştur.