K-band frekansında uydu haberleşmesi için dairesel polarize kayık eksen beslemeli yansıtıcı dizi anten tasarımı ve performans analizi
Design and performance analysis of a circularly polarized offset-feed reflectarray antenna for k-band satellite communications
- Tez No: 921975
- Danışmanlar: PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Bu tez kapsamında, 19-21 GHz K-band frekans aralığında çalışan dairesel polarize, kayık eksen beslemeli bir yansıtıcı dizi antene ilişkin tasarım, simülasyon ve ölçüm çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Yansıtıcı dizi antenler, hafif yapılarından, düzlemsel yüzeylerinden ve isteğe bağlı katlanabilirlik gibi özelliklerinden dolayı önemli fiziksel esneklikleriyle mevcut anten türleri arasında dikkat çekici bir konuma ulaşmıştır. Bahsedilen özelliklerinden dolayı özellikle geleneksel parabolik reflektör antenler ile kıyaslandığında önemli avantajlara sahip oldukları söylenebilir. Bir başka ifadeyle, geniş bir bölge içerisinde gezgin bir vaziyette uydu üzerinden haberleşme sağlamak isteyen bir kullanıcının parabolik reflektör antenin fiziksel özelliklerinden dolayı böyle bir uygulamada geleneksel parabolik reflektör anten aracılığıyla farklı ortamlarda haberleşme gerçekleştirebilmesi oldukça zor bir senaryodur. Bu çalışmada öncelikli olarak antenin çalışma frekansı ve dairesel polarizasyon özelliğine sahip olması dikkate alınarak uydu haberleşmesi uygulamalarını hedefleyen bir yansıtıcı dizi antenin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarımı gerçekleştirilen yansıtıcı dizi antenin dikkate değer bir özelliği, besleme anteni olarak geleneksel horn anten yerine yama antenin tercih edilmesidir. Bu stratejik kararın antene ait daha önce vurgulanmış olan hafiflik ve taşınabilirlik özelliklerine imkan sağlaması için alındığı göz ardı edilmemelidir. Yansıtıcı yüzeyi etkin bir şekilde aydınlatabilmek için besleme anteninin tasarımı titizlikle gerçekleştirilmiştir. Empedans uyumu ve yüksek dairesel polarizasyon performansı için besleme anteninin geri dönüş kaybının ve eksenel oran değerinin gerekli seviyeleri karşılaması gerekmektedir. Bunun yanısıra simetrik bir yansıtıcı yüzey aydınlatılacağı için besleme anteninin yatay ve düşey eksende huzme genişliklerinin olabildiğince birbirine yakın olması beklenmektedir. Başarılı bir yüzey tasarımının gerçekleştirilebilmesi için öncelikle birim eleman tercihinin yapılması gerekmektedir. Üç farklı birim elemanın analizleri gerçekleştirilerek elemanlara ait yansıma faz karakteristik eğrileri birbirleri ile kıyaslanıp bu kriterin yanısıra üretim kolaylığı da birim hücre elemanının seçiminde önemli bir değerlendirme ölçütü olmuştur. Gerekli bilgiler ışığında seçilmiş olan birim elemanın faz karakteristik eğrisi referans alınarak yüksek kazançlı bir yansıtıcı dizi anten oluşturabilmek için gerekli tasarım metodları uygulanmıştır. Daha sonra üretim aşamasına geçilmiştir. Üretilen yansıtıcı dizinin besleme anteninin konumlandırması kayık eksenli olarak tercih edilmiştir. Geri dönüş kaybı, eksenel oran, çapraz polarizasyon, ışıma deseni, kazanç gibi çeşitli anten parametrelerinin simülasyon ve ölçüm sonuçlarına ait değerleri karşılaştırılıp titiz bir kıyaslama çalışması gerçekleştirilmiştir. Ancak karşılaştırma sürecinin bir sonucu olarak, ölçüm ve simülasyon sonuçları arasında doğal olarak beklenen farklılıklar ortaya çıkmıştır. Bu farklılıklar, özellikle hassas bir işlem olan kayık eksen besleme yapısının montajı sırasında yapılan hizalama hatalarından kaynaklanmaktadır. Buna ek olarak, yansıtıcı yüzeyin taban malzemesinin dielektrik özelliklerinden kaynaklanan kayıplar ve doğal olarak besleme anteni ile yansıtıcı yüzeyin üretim hataları gözlemlenen sapmalara neden olmuştur. Tüm bu zorluklara rağmen, yaklaşık 20 cm çapında dairesel bir yapı olarak tasarlanan dairesel polarize yansıtıcı dizi anten, ölçüm sonuçlarına göre 20 GHz merkez frekansında yaklaşık 28 dB'lik dikkat çekici bir anten kazancı performansına sahiptir. Ayrıca ölçüm sonuçları sonucunda antenin frekans bandı boyunca -10 dB'nin altında başarılı bir geri dönüş kaybı performansı gösterdiği görülmüştür. Buna ek olarak üretilen yansıtıcı dizi anten sol el dairesel polarizasyona sahip olup, ölçüm sonuçları sonucunda çapraz polarizasyon seviyesinin yaklaşık -20 dB olduğu görülmüştür. Özetle bu çalışmada tasarımı, üretimi ve ölçümü yapılan söz konusu yansıtıcı dizi antenin ileri anten teknolojisi alanında önemli bir alternatif olmayı vaat ettiği açıkça gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Demands in the field of communication vary day by day. The desire to reach high data rates and communicate over long distances requires proportionally large antenna apertures, and the demand for larger bandwidth usage increases day by day. However, in such systems, the structures preferred to ensure communication over long distances include built-in units or equipment that are bulkier and difficult to transport. As such, the bulky, fixed and static communication systems mentioned above are no longer an effective solution option in more mobile systems and in scenarios where the environment must be constantly changed regardless of environmental conditions. Of course, communication systems that are easy to install in different environments and easy to transport and transfer between environments will have a portable and deployable structure, as their assembly and disassembly will be quite possible. Due to these features, systems that offer these opportunities include flexible installation, easy accessibility and fast integration features. The most important point is that existing systems that communicate over long distances do not have advantages such as flexible installation, easy accessibility and fast integration because they contain bulky, fixed and built-in units. In terms of antenna type, the generally preferred antenna type in built-in and difficult-to-transport systems is parabolic reflector antennas. The reason why parabolic reflector antennas are used as the primary choice in long distance communication systems is that they have high antenna gain. Because in very long distances, for example in satellite communication applications, due to increased path losses, environmental factors and other reasons, the output power of the system must be much higher than in communication applications such as mobile communication, cellular communication, Wi-Fi, etc., where relatively shorter distance communication is provided. For this reason, antenna types with high gain are preferred in communication systems where higher output power is required. Therefore, due to performance demands and system requirements, traditional parabolic reflector antennas are frequently preferred in satellite communication systems, which are the most well-known application area for long-distance communication. Although parabolic reflector antennas have advantages in terms of system performance in satellite communication applications, they also have significant disadvantages due to their physical structure. In terms of its sensitivity and tolerance to manufacturing errors, it should not be ignored that especially at high frequencies such as millimeter wave, in other words, in applications where the wavelength is quite small, in case of very small manufacturing errors that may occur on the antenna surface, the phase plane of the electromagnetic waves reflected from the surface may be disrupted and these production errors may cause serious phase shifts. Another issue that needs to be addressed during the production phase is that in a scenario where the parabolic reflector antenna, which consists entirely of a metal piece, has a diameter of several meters, the production cost and resource consumption are at undeniable levels. In addition, traditional parabolic reflector antennas have very high weights in the previously mentioned long-distance communication systems due to their all-metal structure. For example, it is a very difficult scenario for a user who wants to communicate via satellite while traveling in a wide area to communicate in different environments through a traditional parabolic reflector antenna in such an application due to the physical properties of the parabolic reflector antenna. At this point, for such an application, a communication system and therefore an antenna system with features such as flexible installation, easy accessibility and fast integration is needed. For this purpose, in this thesis study, an antenna system has been developed to meet the needs of a mobile user who wants to communicate via satellite. This antenna, known as a reflectarray antenna, consists of a feed antenna and a reflecting surface, as in the parabolic reflector antenna. The most important point where the reflectarray antenna differs from the parabolic reflector antenna is that its reflective surface does not consist entirely of a metal structure. The reflective surface, which focuses and directs the incoming electromagnetic waves at a certain point and creates a radiation pattern, consists of unit elements placed on the dielectric base material, providing phase values that can tolerate the spatial delays of electromagnetic waves with different incidence angles coming from the feed antenna. Since the reflective surface is produced from dielectric base material, it provides significant lightness compared to traditional parabolic reflector antennas. In addition, since the reflective surface is planar, it can be folded and deployed as needed, and in addition to the weight advantage, it can be reduced in size and save volume and space in cases where the system needs to be moved. The unit elements that come together within the framework of an order and form the reflective surface can be designed in different geometric shapes. However, the point that needs to be taken into consideration here is this: Since the surface current distributions and therefore the transmission and reflection properties of unit cell elements with different shapes will differ due to their shapes, their reflection loss performances will also differ from each other. This will directly affect the radiation performance of the reflectarray antennas. For this reason, choosing an effective unit cell geometry is important for reflective surface design. As mentioned before, since the distance between each point on the surface and the feed antenna varies, the elements that will tolerate the delay values of these points must have different phase angle values. Because, thanks to the curvature of the surface in the parabolic reflector antenna, phase values can be adjusted for every point of the surface. For this reason, a phase adjustment technique must be developed and applied to provide this feature to the unit elements on the surface of the reflectarray antennas. As a result of applying the preferred technique to the unit element topology determined at a certain frequency value, a phase change graph should be obtained depending on a variable parameter (element size, element rotation, delay line length, etc.). Thus, the correct element selection will be made regarding the phase angle value of any point on the planar surface. As with unit element selection, there are different methods for phase adjustment technique. Methods such as variable element size, variable element rotation, variable delayed line length can be preferred as phase adjustment techniques in reflectarray antenna systems designed on the basis of passive phase control. Apart from the mentioned techniques, phase adjustment can also be made using reconfigurable electronic and mechanical controllers (pin diode, varactor didoe, MEMS switch, liquid crystal-based structures, etc.) and beam scanning applications can also be performed with the help of electronic and mechanical controllers. However, since many components must be used throughout the array, separately for each element in these structures, reflectarray antenna structures containing electronic and mechanical controllers with active phase control feature result in higher costs than reflectarray antennas designed on the basis of passive phase control. In this thesis, the design requirements of the reflectarray antenna topology and the existing studies in the literature were examined, feed antenna design and optimizations that could effectively illuminate the reflective surface at the desired polarization were carried out, unit element designs with different geometric structures were realized, and the necessary design to create a high-gain reflective surface was carried out. methods were applied, performance enhancement studies were carried out for the antenna system, and the feed antenna and reflective surface were produced with the highest possible precision in the simulation studies carried out in the commercial software package program CST Microwave Studio. Comparisons of certain antenna performance criteria were made.
Benzer Tezler
- X-bant gürültü radarı ile dron ve martıların mikro-doppler karakteristiklerin çıkarımı
Extraction of micro-doppler characteristics of drone and seagulls with x-band noise radar
KARTAL KAAN GÜMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Large scale wireless propagation channel characterization of air-to-air and air-to-ground drone communications
Hava-hava ve hava-yer drone haberleşmesi için büyük ölçekli kablosuz yayılım kanalı karakterizasyonu
UBEYDULLAH ERDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- K band substrate integrated waveguide power dividers
K band substrat tümleşik dalga kılavuzu güç bölücüler
ORÇUN KİRİŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE ÖZLEM AYDIN ÇİVİ
- Comparisons of sige active downconversion mixers and a high performance sige active mixer design for s-band applications
Sige aktif alt çeviren karıştırıcıların karşılaştırılması ve s-band uygulamaları için yüksek başarımlı bir aktif karıştırıcı tasarımı
METE COŞKUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN YAZGI
- Design of microstrip patch antennas for 5G mobile communication systems
Mikrostrip antenlerin 5G mobil iletişim sistemleri için tasarlanması
FERDA CANSU GÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER