Fluidically Reconfigurable Microwave Systems With Conductive and Dielectric Liquid Materials

Abstract

Bu tezde, geleneksel elektriksel ve optik yeniden yapılandırma yöntemlerinin sınırlamalarının üstesinden gelmek amacıyla sıvı destekli mikrodalga bileşenlerinin kullanılmasına ilişkin detaylı bir araştırma sunulmuştur. Öncelikle, minyatürleştirmeye ve düşük hesaplama yüküne öncelik veren, 6.6 GHz ve 7 GHz'de çalışan yeni bir çift bağlantı noktalı anten önerilmiştir. Bu antenin en önemli özelliği, bağlantı noktalarının sıvı metal yoluyla bağımsız frekans yeniden yapılandırma kapasitesine sahip olmasıdır. Ardından, çalışma frekansları 2,45 GHz ve 5,8 GHz olarak tasarlanmış Vivaldi antenlerini kullanan sıvı metal kontrollü çift bantlı bir Doppler radar sistemi geliştirilmiştir. Önerilen radar sistemi aynı zamanda sıvı-metal yer değiştirmesi ile kontrol edilen bir güç bölücüyle de entegre edilerek belirli bantlar arasında kesintisiz frekans geçişine olanak tanımaktadır. Bu yöntem sayesinde literatüre tamamen sıvı yer değiştirmesi ile kontrol edilebilen bir radar kazandırılmıştır. Tezin bir sonraki amacı, sıvı metal kontrollü radarı, daha ucuz ve kolay erişilebilir bir malzeme olan su kontrollü bir forma dönüştürmektir. Bunun için geçirgenlik ölçümlerine başvurulmuş ve karışım bazlı yeni bir yöntem önerilmiştir. Önerilen algoritma, bilinmeyen malzeme geçirgenliğinin belirlenmesini hızlandırmakta ve 3 boyutlu elektromanyetik çözücülere olan hesaplama bağımlılığını azaltmaktadır. Bu amaca ulaşmak için kavite bazlı ayrık modlu çift bantlı geçirgenlik ölçüm sistemi kurulmuş ve geleneksel kavitelerdeki mod ayırma sınırları Lagrange çarpanları kullanılarak belirlenmiştir. Daha sonra bu sınırları aşabilecek yeni kavite tipleri önerilerek geçirgenlik ölçüm düzeneğinin kurulması daha kolay hale getirilmiştir. Ayrık modlu kaviteler, bilinen karışımları referans alarak bilinmeyen malzemenin geçirgenliğini bulmayı amaçlayan yinelemeli ölçüm yöntemiyle birleştirilerek su bazlı malzemenin geçirgenliği ve hacimsel fraksiyonu belirlenebilmiş ve Vivaldi anten tasarımları su ile kontrol edilebilecek şekilde güncellenmiştir. Bu değişiklik, sıvı metal bazlı radarın daha kolay bulunabilen ve uygun maliyetli bir malzeme olan suyla kontrol edilmesini sağlamıştır.

In this thesis, a detailed investigation is presented on the use of liquid-assisted microwave components to overcome the limitations of traditional electrical and optical reconfiguration methods. First of all, a new dual-port antenna operating at 6.6 GHz and 7 GHz is proposed, prioritizing miniaturization and low computational load. The most important feature of this antenna is that its ports have independent frequency reconfiguration capacity through liquid metal. Then, a liquid metal controlled dual-band Doppler radar system using Vivaldi antennas designed with operating frequencies of 2.45 GHz and 5.8 GHz was developed. The proposed radar system is also integrated with a power divider for liquid-metal displacement, allowing seamless frequency switching between certain bands. A radar that can be controlled entirely by liquid displacement has been introduced to the literature with this method. The next goal of the thesis is to transform the liquid metal controlled radar into a water controlled form, which is a cost-effective and more accessible material. Therefore, an innovative mixture-based method for permittivity measurements is proposed. The proposed algorithm accelerates the determination of unknown material permittivity and reduces the computational dependence on 3D electromagnetic solvers. To achieve this goal, a cavity-based separated mode dual-band permittivity measurement system was established and mode separation limits in conventional cavities were determined using Lagrange multipliers. Later, new cavity types that could exceed these limits were proposed, making the installation of the permittivity measurement mechanism easier. By combining separated mode cavities with an iterative measurement method that aims to find the permittivity of the unknown material by taking known mixtures as a reference, the permittivity and volume fraction of the water-based material were able to be determined and Vivaldi antenna designs were updated to be controlled with water. This change allows liquid metal-based radar to be controlled with water, a more readily available and cost-effective material.