Geri Dön

Design of the four arm-dual polarized sinuous antennawith a new feeding approach

Yeni bir besleme yaklaşımı ile dört kollu dual polarize sinuous anten tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 639618
  2. Yazar: SULAYMAN JOOF
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ÇAYÖREN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Bilişim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 96

Özet

Son dönemde elektromanyetik teori ve ilgili alanlarda sağlanan teknolojik gelişmeler ve bunlarla bağlantılı uygulamalar giderek daha geniş bir frekans spektrumunun incelenmesini ve bu geniş bant aralığında çalışacak sistemler tasarlanmasını zorunlu kılmaktadır. Dahası, bu geniş bantlı sistemlerin hızla yayılması ve kullanıma girmesi geniş bantlı anten tasarımını öncelikli araştırma ve geliştirme konuları arasında üst sıralara taşımaktadır. Dolayısıyla, hafif, tasarımı ve üretimi kolay, düşük maliyetli, çok geniş bir frekans bandında kullanılabilecek anten tasarımlarının değeri ve önemi giderek artmaktadır. Bu sıralanan özellikleri haiz geniş bantlı anten tipleri arasında en kayda değer olanlardan biri spiral anten olarak adlandırılır. Bu tip antenler istenen geniş bantlı uygulamalar için en uygun adaylardan biridir. Spiral anten, ultra geniş bantlı, düzlemsel veya konik şekilli olabilen, frekanstan bağımsız giriş empedansına sahip bir anten tipidir. Bu antenlerin enine ışımalı bir radyasyon paterni vardır. En önemli özelliği olarak tüm frekans bandında geniş bir demet genişliğiyle ve yüksek kazançla ışıma yapar. Gene bu geniş bant aralığında ikili dairesel veya düzlemsel polarizasyon kullanımına uygun bir yapısı vardır. İşte bu geniş bant karakteristik özellikleri ve simültane polarizasyon kabiliyeti sayesinde spiral antenler hem sivil hem de askeri çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunların arasında elektronik harp uygulamaları, yön bulma sistemleri, yansıtıcı bazlı arama sistemleri, radyo astronomisi, radar ve görüntüleme sistemleri sayılabilir. Spiral antenlerin daha yaygın olarak kullanılmasının önündeki en büyük engel besleme devresinin karmaşıklığıdır. Spiral antenin kolları arasında faz uyumunun sağlanması oldukça karmaşık ve pahalı besleme sistemlerinin kullanılmasını zorunlu kılmaktadır. Teorik olarak spiral antenlerin bant genişliği sınırsız olmasına ragmen pratikte besleme devresi bant genişliğini sınırlamaktadır. Bu kısıtlama göz önünde bulundurularak bu çalışmada dört kollu spiral antenin beslenmesi için iki yeni yaklaşım geliştirilmiş ve anten tasarımında uygulanmıştır. Bu yeni geliştirilen besleme sitemleri DuHamel (1987) tarafından ortaya konulmuş mevcut standart spiral anten beslemesinin modifiye edilmesi ile elde edilmiştir. Geliştirilen besleme sistemi simetrik olmamakla beraber yine de spiral antenlerde istenilen ikili polarizasyon karakteristiğini koruyacak şekilde optimize edilmiştir. Standart besleme noktası geometrisi kullanıldığı durumda dört kollu spiral antenin mikroşerit balun kullanılarak beslenmesi mümkün değildir. Dolayısıyla pratik uygulamalarda mikroşerit bir hatla antenin beslenmesi için besleme noktalarında değişiklik yapılması gerekmektedir. Bu tezdeki çalışmlarda başlangıç olarak standart dört kollu spiral antenin boş uzaydaki davranışı incelenmiştir. Bu amaçla antenin boşluktaki ışıması simüle edilmiş ve sonuçlar analiz edilmiştir. Daha sonra aşamada ise ışıyan dört kollu anten yapısına bir substrat eklenmiş ve anten karakteristik özellikleri analiz edilmiştir. S-parametreleri, ışıma paterni, anten kazancı, demet genişliği, giriş empedansı gibi karakteristik özellikler üzerinden substuratın dört kollu spiral antenin davranışına etkisi incelenmiştir. Standart anten ve substratın davranışı analiz edildikten sonra antenin besleme noktasında bu çalışmanın temelini oluşturan iki farklı değişiklik yapılmıştır. Bu değişiklikler yapılırken göz önünde bulundurulan temel husus mikroşerit balunun dört kollu spiral antenin boş uzay simülasyonlarında gözlenmiş olan karakteristik özelliklerinde fazla değişiklik yapmadan sisteme entegre edilmesidir. Standart anten tasarımında mikroşerit balunun besleme noktasından yapıya entegrasyonu anten karakteristiklerine ciddi zarar vermektedir. Burada arzulanan besleme noktasında yapılan modifikasyonlarla bu zararın asgariye indirgenmesidir. Bu amaç tez çalışmasının temel motivasyonunu oluşturmaktadır. Bu aşamada antenin giriş empedansı gerekli değişiklikler yapılmış yeni besleme noktaları göz önüne alınarak belirlenir. Bu giriş empedansının doğru şekilde belirlenmesi sistem tasarımı açısından hayati öneme sahiptir çünkü besleme devresinin çıkışı bu giriş empedansı değerine göre tasarlanmaktadır. Dolayısıyla sonraki aşamada bu değer göz önüne alınarak balunun çıkışında gözlenecek karakteristik özellikler hesaplanabilir. Bu aşamada antenin keskin uçlarının modifiye edilmesiyle düşük frekanslarda anten kaybını azaltacak bir değişiklik daha yapılmıştır. Bu işlemlerle beraber değiştirilmiş yeni dört kollu spiral anten tasarımının karakteristik özellikleri de analiz edilip eski standart anten tasarımıyla karşılaştırılmıştır. Üzerinde değişikler yapılmış antenlerin giriş empedansları hesaplandıktan sonra spiral antenin iki portunu besleyecek iki besleme hattından oluşan eksponansiyel mikro şerit balun tasarlanmıştır. Balun uyumsuz ve uyumlu uçları uygun sonlandırılarak test edilmiş ve kayıp değerleri ölçülerek empedans uyumu için bu balunun kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu balunun tasarımı ve modifiye edilmiş spiral anten yapısına entegrasyonu tamamlandıktan sonra ortaya çıkan yapının bütünü analiz edilmiş ve bir kez daha mevcut standart dört kollu spiral anten yapısıyla sonuçlar karşılaştırılmıştır. Burada yapılan simülasyonlar ve analizler tasarlanan yapının yüksek kazanç ve düşük yansıma kaybına sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Bu simülasyonlarda gözlenen diğer bir durum da antenin çift yönlü (bidirectional) ışıma paternine sahip olduğudur. Bu gözlem tez çalışmasının ikinci kısmına kaynaklık oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasının ikinci kısmında boşlukla desteklenmiş yansıtıcıların (cavity-backed reflector) anten davranışı üzerindeki etkisi analiz edilmiş ve bu yapıların spiral anten yapısına entegrasyonu sağlanmıştır. Bu işlemin arkasındaki temel motivasyon metalik boşlukla desteklenmiş yansıtıcıların anten karakteristikleri üzerindeki olumlu etkisidir. Bu etki özellikle spiral antenlerin verimliliğine önemli katkı sağlamaktadır. Boşlukla desteklenmiş yansıtıcı kullanılmayan spiral anten yapılarında çift yönlü (bidirectional) ışıma paterni gözlenmektedir. Bu durum pek çok pratik uygulamada istenmeyen etkiler oluşturmaktadır. Bunu göz önünde bulundurarak bu çalışmada dört kollu spiral anten tasarımına boşlukla desteklenmiş yansıtıcı entegre edilmiştir. Bu entegre yapı analiz edilirken boşluğun emici bir malzeme ile doldurulduğu ve doldurulmadan sadece hava içerdiği iki farklı durum incelenmiş ve anten karakteristikleri karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucu emici maddenin kullanıldığı durumda anten karakteristiklerinin istenilen özelliklere daha çok yaklaştığı gözlenmiş, ve bunun sonucunda incelenen durumların çoğunda spiral anten emici bir maddeyle doldurulmuş boşluk destekli yansıtıcıyla entegre edilmiş halde kullanılmıştır. Emici madde geriye doğru yönelen radyasyonu absorbe ederek istenilen ışıma paterninin oluşumuna katkı vermektedir. Bu maddeyi eklemenin bir diğer etkisi de düşük frekanslarda uyumluluğu arttırmasıdır. Genel olarak bu çalışma kapsamında geliştirilen dört kollu spiral anten tasarımlarının yansıtıcılı veya yansıtıcısız her iki durumda da literatürde mevcut modifiye anten beslemelerine kıyasla daha yüksek kazanç ve daha düşük yansıma kaybına sahip oldukları analiz sonuçlarından anlaşılmaktadır. Işıma paterni de yine yansıtıcılı ve yansıtıcısız her iki durum için de pek çok uygulamada istenilen karakteristiklere sahiptir. Bu çalışmada tasarlanan antenin testleri sadece simülasyon ortamında yapılmamış aynı zamanda pratik olarak da ölçümler yapılmıştır. Bu amaçla tez kapsamında geliştirilen besleme tiplerinden birine sahip bir spiral anten prototipi üretilmiş ve test edilmiştir. Ölçümler istenilen çalışma bandı olan 2-5 GHz aralığında yapılmıştır. Bu ölçüm sonuçları simülasyon verileriyle deneysel ölçümler arasında yüksek seviyede bir uyuşma olduğunu ortaya koymuştur.

Özet (Çeviri)

The several application of electromagnetics to the progression of technology have demanded the investigation and exploitation of a wider frequency spectrum. Moreover, emergence of broadband systems has necessitated the design of broadband antennas. Therefore, it is most desirable to design an antenna which is lightweight, simple and cost-effective operating over a wide frequency bandwidth. One candidate of antennas that meets most of the desired properties from the range of wideband antennas is the Sinuous Antenna. The sinuous antenna is an ultra-wideband, planar or conical shaped, self-complimentary geometry, frequency independent input impedance and can produce broadside radiation patterns with dual circular or linear polarization across broad beamwidths with a good gain across the entire frequency band. Because of its superior broadband characteristics and simultaneous polarization capability, the sinuous antenna has several applications in both the civil and military systems such as electronic warfare systems, direction finding systems, reflector-based searching systems, radio astronomy, radar and imaging systems. The key factor that limits the popularity of the sinuous antenna is the complexity of its feeding network. Virtually, the sinuous antenna has an unlimited bandwidth and the only limiting factor is its feeding network. In this thesis the four-arm sinuous antenna is design using two new feeding approaches. The proposed feeding approaches are done by modification of the standard fed sinuous antenna design by DuHamel (1987). The standard feed- point geometry of the four-arm sinuous antenna is practically impossible to be fed using a microstrip balun. Therefore, modifications must be made on the feed-points to practically fit in a microstrip feed line. The work on this thesis begins by free space simulation and analysis of the standard fed four-arm sinuous antenna . Then a substrate is added to the radiating four arms and the antenna properties such as the s-parameters, radiation patterns, gain, input impedance and axial ratio of the antenna with the substrate is analyzed. After the analysis of the standard antenna with substrate, two different modifications are implemented on the feeding point of the standard antenna. The modifications are made in such a way that a microstrip balun can be incorporated with the modified feed-points without causing much damage to the characteristics of the antenna. With the new modified feed points, the input impedance is determined so that the output of the balun can be calculated. Furthermore, the characteristics of the modified antennas are analyzed and compared. After the determination of the input impedance of the modified antennas, an exponential microstrip balun consisting of two feed lines to feed the two ports of the sinuous antenna are design. The baluns are then integrated with the modified antennas and both antennas are analyzed and compared. The sinuous antenna without a cavity-backed reflector has a bidirectional radiation pattern which is not desirable in most application. Therefore, the antennas are integrated with a metallic cavity and analyzed. The analysis of the cavity-backed is based on the cavity filled with an absorbing material or without an absorbing material. Although in most cases, the cavity of the sinuous antenna is loaded with an absorbing material. Performance of the antennas with and without cavity backed show a good return loss, good gain, desired radiation patterns and low axial ratio compared to the modified feed antennas in literature. Additionally, a prototype of one of the proposed feeding structure is fabricated and measured in an anechoic chamber from 2-5GHz which is the intended working frequency bandwidth. A good agreement is observed between the simulated and measured results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    540790

    A dual-band frequency selective surface design for satellite applications

    Uydu uygulamalarında kullanılacak çift bantlı frekans seçici yüzey tasarımı

    ESMA MUTLUER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT KARTAL

  2. Tez No

    438794

    Design and control of a dual arm robot manipulator

    Çift kollu bir robot manipülatörünün tasarımı ve kontrolü

    MUSTAFA MELİH DOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Mekatronik MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEKİ KIRAL

  3. Tez No

    814798

    Rezonatör tabanlı çoklu-bant soğurucu tasarımı ve sensör uygulamaları

    Design of resonator based multi-band absorber and sensor applications

    ALPARSLAN ÇINAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAkdeniz Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SIDDIK CUMHUR BAŞARAN

  4. Tez No

    633317

    Kafa-boyun ortopedik rahatsızlıkları için rehabilitasyon robot manipülatörünün tasarımı dinamik analizi ve kontrolü

    Dynamic analysis and control of rehabilitation robot manipulator for head-neck orthopedic disorders

    AHMET SADIK DURU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİLLA BAYRAM

  5. Tez No

    392230

    Design, control and implementation of CoCoA: A human-friendly autonomous service robot

    Güvenli servis robotu CoCoA'nın insan uyumlu tasarımı, kontrolü ve hayata geçirilmesi

    GÖKAY ÇORUHLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Makine MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU

Geri Dön