Geri Dön

Design and optimization of compact vivaldi antenna with matching medium for microwave brain imaging applications

Mikrodalga beyin görüntüleme uygulamaları için eşleştirme ortamına sahip kompak vıvaldı antenin tasarımı ve optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 981681
  2. Yazar: CAFER UYANIK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Mikrodalga görüntüleme, Vivaldi anten, Şekil optimizasyonu, Microwave imaging, Vivaldi antenna, Shape optimization
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez, mikrodalga beyin görüntüleme uygulamaları için özel olarak geliştirilen ultra geniş bantlı (UWB) Vivaldi antenlerinin tasarımı, optimizasyonu ve deneysel doğrulaması üzerine kapsamlı, çok aşamalı ve disiplinler arası bir araştırma sunmaktadır. Çalışma, klasik elektromanyetik (EM) tasarım yöntemleri ile yapay zekâ (YZ) tabanlı modern optimizasyon tekniklerini birleştirerek, teorik elektromanyetik modelleme ile pratik biyomedikal uygulama arasında güçlü bir köprü kurmaktadır. Bu bütüncül yaklaşım, hem anten minyatürleştirme hem de performans optimizasyonu açısından önemli ilerlemeler sağlamış, aynı zamanda yakın alan davranışları ve görüntüleme doğruluğu bakımından kayda değer iyileşmeler elde edilmiştir. Böylece, iyonlaştırıcı radyasyon içermeyen, taşınabilir, yüksek çözünürlüklü beyin kanaması tespit sistemlerinin geliştirilmesi yönünde önemli bir adım atılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, klasik coplanar Vivaldi anten (CPVA) yapısının ayrıntılı bir parametre analizi gerçekleştirilmiştir. Antenin geometrik değişkenlerinin — üstel açıklık oranı (flare rate), yarık genişliği, tapering profili, toprak düzlemi kesimi ve altlık malzemesinin dielektrik özellikleri antenin temel performans metrikleri üzerindeki etkileri (örneğin empedans bant genişliği, kazanç, radyasyon verimliliği ve yakın alan enerji yoğunluğu) sistematik biçimde araştırılmıştır. CST Microwave Studio (CST MWS) ortamında yapılan geniş kapsamlı sayısal benzetimler ve laboratuvar ölçümleri sonucunda, üstel açıklık bölgesinin hassas biçimde kırpılması ve uygun parazitik elemanların eklenmesinin, antenin empedans uyumunu ve yönlü ışıma performansını belirgin biçimde geliştirdiği ortaya konmuştur. Geliştirilen minyatürleştirilmiş coplanar Vivaldi anten (M-CPVA), 1–7.5 GHz aralığında %152'lik geniş bir bant genişliği sağlamış, 1–6 GHz aralığında S₁₁ değerini –10 dB'in altında korumuş ve 3 GHz frekansında 136 mm mesafeye kadar –35 dB düzeyinde güçlü yakın alan enerji akısı (EFD) göstermiştir. Elde edilen bu sonuçlar, sonraki optimizasyon adımlarında izlenecek tasarım stratejileri için güçlü bir teorik ve deneysel dayanak oluşturmuştur. İkinci aşamada, anten yapısı hem besleme hattı geometrisi hem de ışıma açıklığı açısından yeniden yapılandırılmıştır. Mikroyol radyal yük geçiş yapısı optimize edilerek FR-4 (εᵣ ≈ 4.3) altlık üzerinde kararlı 50 Ω empedans sağlanmıştır. Ayrıca, açıklık bölgesinde belirli kısımların kırpılması ve eşkenar üçgen biçimli parazitik yama elemanlarının eklenmesiyle, antenin düşük ve yüksek frekanslardaki davranışları ayrı ayrı iyileştirilmiştir. Bu yöntem, düşük frekanslarda akım dağılımını düzenleyerek kazancı artırırken, yüksek frekanslarda ışıma alanını kararlı hale getirmiştir. Bu sürecin sonunda, iki gelişmiş yapı olan optimize edilmiş CPVA (O-CPVA) ve yamalanmış CPVA (P-CPVA) tasarımları geliştirilmiştir. O-CPVA 1.5–3 GHz aralığında S₁₁ < –15 dB başarımı sergilerken, P-CPVA 7 GHz'e kadar –10 dB altında kalmıştır. Literatürde yer alan benzer çalışmalarla yapılan nicel karşılaştırmalar, önerilen antenlerin daha kompakt boyutlara (58.6 × 92 mm², 1 GHz'de yalnızca 0.41λ₀ × 0.64λ₀) sahip olduğunu ve düşük frekanslarda daha güçlü ışıma özellikleri gösterdiğini ortaya koymuştur. Üçüncü aşamada, geleneksel optimizasyon yöntemlerinin yüksek boyutlu anten tasarım uzayında yetersiz kaldığı dikkate alınarak YZ destekli vekil modelleme (surrogate modeling) temelli bir optimizasyon çerçevesi geliştirilmiştir. Bu kapsamda, 1–12 GHz aralığında 1.001 frekans noktasında simüle edilmiş 1.200 farklı anten geometrisinden oluşan geniş bir veri kümesi oluşturulmuş ve bu verilerle piramidal derin regresyon ağı (PDRN) eğitilmiştir. Model, daha önce görmediği örneklerde bağıl ortalama mutlak hata oranı %5'in altında kalacak şekilde yüksek doğruluk sağlamıştır. Bu vekil model, bal arısı çiftleşme optimizasyonu (HBMO) algoritması ile entegre edilerek, anten tasarımında küresel optimum çözümlerin saniyeler içinde aranabilmesine olanak tanımıştır. Bu çerçeve, tam dalga elektromanyetik benzetimlere göre binlerce kat daha hızlı çalışarak tasarım sürecinde büyük bir verimlilik sağlamıştır. Bu yöntemle geliştirilen kanatlı coplanar Vivaldi anten (W-CPVA), antenin her iki yanına dik yerleştirilmiş iletken“kanatlar”sayesinde düşük frekans sınırını 1 GHz'e genişletmiş ve akım dağılımını homojenleştirmiştir. Anten boyu (L = 76 mm) sabit tutulmasına rağmen, bu tasarım 1–7 GHz aralığında S₁₁ < –10 dB (yaklaşık %150 bant genişliği) başarımı göstermiş ve 1–5 GHz arasında belirgin biçimde gelişmiş yakın alan odaklama performansı sergilemiştir. Dördüncü ve son aşamada, geliştirilen antenlerin biyomedikal uygulanabilirliği medium-matched (ortam uyumlu) fantom deneyleri ile doğrulanmıştır. Gerçek beyaz madde dielektrik özelliklerine (εᵣ≈36) yakın bir ortamdan oluşturulmuş kafa fantomu, 15° aralıklarla yerleştirilmiş 24 adet M-CPVA anteni içeren bir dairesel dizilimle çevrelenmiştir. Ölçümler, 24 portlu bir vektör ağ analizörü (VNA) aracılığıyla iki konumlu (bi-statik) tarama yöntemiyle gerçekleştirilmiş; 36 gönderici ve 35 alıcı konumundan 13 ayrı frekansta veri toplanmıştır. Elde edilen saçılım matrisleri, toplam elektrik alanlara dönüştürülmüş ve Lineer Örnekleme Yöntemi (LSM) algoritmasıyla iki boyutlu kesit görüntüleri oluşturulmuştur. Fantom içine yerleştirilen su dolu balonlar, beyin içi kanamayı temsil eden bölgeler olarak kullanılmış ve ölçümler arasındaki farklar aracılığıyla normalize edilmiş çok frekanslı gösterge fonksiyonu 𝐼 𝑛 ( 𝑧 ) I n (z) yardımıyla hedef bölgeler başarıyla tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, sistemin küçük dielektrik farkları dahi yüksek doğrulukla algılayabildiğini göstermiştir. Sonuç olarak bu tez, biyomedikal mikrodalga görüntüleme alanına dört temel katkı sunmaktadır: 1- Beyin inme tespiti ve benzeri medikal uygulamalar için optimize edilmiş coplanar Vivaldi antenlerin sistematik tasarım metodolojisini ortaya koymuştur. 2- Hem düşük hem de yüksek frekans performansını iyileştiren somut geometrik modifikasyonlar önermiştir. 3- Derin öğrenme tabanlı vekil modelleme ve meta-sezgisel küresel optimizasyon yöntemlerini birleştirerek, anten tasarımı için yüksek doğruluklu ve hesaplama açısından verimli bir optimizasyon altyapısı oluşturmuştur. 4- Önerilen anten yapılarını medium-matched fantom deneyleri ve görüntüleme algoritmaları ile deneysel olarak doğrulamış ve biyomedikal ortamlarda uygulanabilirliğini kanıtlamıştır. Sonuç olarak geliştirilen M-CPVA ve W-CPVA anten sistemleri, taşınabilir, iyonlaştırıcı olmayan, geniş bantlı ve yüksek hassasiyetli mikrodalga görüntüleme platformları için güçlü adaylardır. Bu bulgular, erken dönem beyin kanaması tespiti için anten tabanlı görüntüleme teknolojilerinin hem teknik hem de pratik anlamda uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Ayrıca, bu tezde oluşturulan tasarım ve optimizasyon çerçevesi, gelecekteki çalışmalarda derin öğrenme destekli ters çözüm algoritmaları, adaptif anten dizileri ve mikrodalga–ultrason hibrit sistemleri gibi ileri düzey araştırmalara zemin hazırlamaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis presents an extensive and multidisciplinary investigation into the design, optimization, and experimental validation of ultra-wideband (UWB) Vivaldi antennas specifically tailored for microwave brain imaging applications, with an emphasis on the early detection and monitoring of hemorrhagic stroke. By integrating classical electromagnetic (EM) design methodologies with state-of-the-art artificial intelligence (AI) techniques, this work establishes a robust bridge between theoretical modeling and practical biomedical implementation. The resulting framework not only advances the miniaturization and functional optimization of Vivaldi antennas but also enhances their near-field behavior and imaging precision, contributing to the development of non-invasive and portable diagnostic tools. In the initial phase of the study, a comprehensive parametric analysis of the canonical coplanar Vivaldi antenna (CPVA) was undertaken. The effects of fundamental geometrical parameters such as the exponential flare rate, slot width, tapering profile, ground-plane truncation, and dielectric substrate properties were systematically examined to understand their influence on essential performance metrics, including impedance bandwidth, realized gain, radiation efficiency, and near-field energy distribution. Through extensive simulations performed in CST Microwave Studio (CST MWS) and subsequent validation via network-analyzer-based measurements, the investigation revealed that fine-tuning the exponential taper and introducing subtle modifications, such as parasitic metallic inclusions or partial aperture cropping, could lead to remarkable improvements in impedance matching and directivity. The developed miniaturized CPVA (M-CPVA) demonstrated an ultra-wide fractional bandwidth of 152% (1–7.5 GHz), a stable reflection coefficient below –10 dB over the critical imaging range of 1–6 GHz, and notably strong near-field energy flux density (EFD) distributions, maintaining approximately –35 dB radiation intensity at 136 mm distance and 3 GHz frequency. These results collectively provided a solid theoretical and experimental foundation for subsequent optimization stages. Building upon this foundation, the second phase focused on performance enhancement through strategic geometric and feed-structure redesign. A refined microstrip-to-radial-stub transition ensured stable 50 Ω impedance characteristics across the operating range, especially when implemented on an FR-4 substrate (εᵣ≈4.3). Further, the introduction of isosceles-triangular parasitic patches and controlled aperture cropping techniques yielded frequency-selective improvements: low-frequency gain was notably enhanced by optimizing the current flow near the feedline, while high-frequency radiation stability benefited from field confinement at the aperture edges. These developments led to two improved configurations the optimized CPVA (O-CPVA) and the patched CPVA (P-CPVA) each achieving targeted enhancements. The O-CPVA achieved S₁₁ < –15 dB from 1.5–3 GHz, while the P-CPVA maintained consistent matching up to 7 GHz. Comparative analysis with existing designs in the literature confirmed that the proposed structures exhibited superior compactness (58.6 × 92 mm² footprint, corresponding to only 0.41λ₀ × 0.64λ₀ at 1 GHz) and broader operational bandwidth without sacrificing radiation stability, highlighting the efficiency of the proposed design methodology. Recognizing the intrinsic complexity of the Vivaldi antenna's high-dimensional design space and the computational expense of full-wave optimization, the third phase of this research introduced an AI-assisted surrogate modeling and meta-heuristic optimization framework. A pyramidal deep regression network (PDRN) was trained on a dataset of 1,200 unique antenna geometries, each simulated at 1,001 discrete frequencies (1–12 GHz) under Latin-Hypercube sampling. The network demonstrated high predictive accuracy, achieving a relative mean absolute error (rMAE) below 5% on unseen test cases, effectively capturing non-linear electromagnetic behaviors across frequency. This surrogate model was integrated into a honey-bee mating optimization (HBMO) algorithm, enabling accelerated global optimization with thousands of virtual evaluations conducted within seconds orders of magnitude faster than traditional CST-based sweeps. The optimized outcome of this hybrid framework was the winged coplanar Vivaldi antenna (W-CPVA), featuring a pair of orthogonally oriented metallic“wings”that served as reactive loading elements, improving current distribution uniformity and extending low-frequency operation to 1 GHz without increasing the antenna's overall physical dimensions (L = 76 mm). The fabricated prototype exhibited S₁₁ consistently below –10 dB from 1 to 7 GHz (150% fractional bandwidth) and demonstrated improved near-field focusing properties, as verified through both EFD mapping and time-domain pulse characterization. The fourth phase bridged the transition from theoretical design to biomedical experimentation through medium-matched phantom testing and imaging reconstruction. A realistic human-head phantom was prepared using an ethylene-glycol-based mixture with dielectric properties closely mimicking brain white matter (εᵣ≈36). A circular antenna array comprising 24 M-CPVA elements was positioned at 15° intervals to provide full 360° angular coverage. Measurements were acquired using a 24-port vector network analyzer (VNA) under a bi-static scanning scheme, covering 36 transmitter positions and 35 receiver angles across 13 discrete frequencies. The resulting scattering matrices were processed into total field distributions and subsequently fed into a linear sampling method (LSM) reconstruction algorithm. By comparing measurements taken before and after the insertion of water-filled balloon inclusions that emulated hemorrhagic regions, the normalized multi-frequency indicator function 𝐼 𝑛 ( 𝑧 ) I n (z) accurately delineated the spatial extent of dielectric anomalies. Both small and large target experiments confirmed the system's sensitivity and resolution, affirming its ability to detect subtle dielectric contrasts and providing a strong proof-of-concept for non-invasive brain hemorrhage monitoring. In summary, this dissertation makes four major contributions to the advancement of biomedical microwave imaging: 1- It establishes a systematic design exploration methodology for coplanar Vivaldi antennas optimized for stroke detection and medical imaging. 2- It introduces geometry-driven performance improvements that enhance both the low- and high-frequency radiation characteristics while maintaining a compact footprint. 3- It pioneers the use of deep-learning-based surrogate modeling combined with meta-heuristic global optimization, offering a scalable and computationally efficient pathway for future antenna design research. 4- It validates the proposed methodologies through full-scale phantom experiments and imaging reconstructions, confirming their practical applicability in realistic biomedical environments. Ultimately, the developed M-CPVA and W-CPVA architectures represent significant progress toward compact, broadband, and high-sensitivity antenna systems suitable for next-generation microwave brain imaging platforms. These outcomes not only demonstrate the technical feasibility of real-time, non-ionizing diagnostic systems but also provide a robust foundation for future extensions, including adaptive array configurations, integration with machine learning-based inverse solvers, and hybrid microwave–ultrasound imaging modalities. The comprehensive framework established in this work thus marks an important milestone in the intersection of antenna engineering, artificial intelligence, and biomedical diagnostics.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1021300

    Radar uygulamalarında vivaldi anten tasarımı ve optimizasyonu

    Vivaldi antenna design and optimization in radar applications

    ERDEM BARLİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER

  2. Tez No

    371574

    Directional wide band printed monopole antenna for use in microwave breast cancer imaging

    Mikrodalga meme kanseri görüntüleme kullanımı için geniş bantlı yönlü mikroşerit anten

    JAVAD JANGİ GOLEZANİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    İletişim Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Haberleşme Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN

  3. Tez No

    457837

    The design and development of novel ultra-wide band (UWB) antenna and filter units for RF front-end applications

    RF ön uç uygulamaları için özgün, çok geniş bandlı anten ve filtre tasarımı ve geliştirilmesi

    MUSTAFA İLARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HAMİD TORPİ

    YRD. DOÇ. DR. SALİH DEMİREL

  4. Tez No

    866227

    Faz modları kullanılarak silindirik dizi antenlerinin hızlı tasarımı ve analizi

    Fast analysis and design of cylindrical array antennas via phase modes

    HASAN AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR

  5. Tez No

    434178

    Design and optimization of compact microstrip patch antennas having broken loop for UHF RFID reader application

    UHF RFID okuyucu uygulamaları için kompakt kırık halka içeren mikroşerit antenlerin tasarımı ve optimizasyonu

    GONCA EŞTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYaşar Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA SEÇMEN

Geri Dön