Faz dizili antenler için yakın alan tarama probu kalibrasyon yöntemi uygulaması
Application of near field scanning probe method calibration for phased array antennas
- Tez No: 946047
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI
- 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: 79
Özet
Faz dizili anten yapıları, modern haberleşme, radar ve elektronik harp teknolojilerinde sıklıkla baş göstermeye başlamıştır. Atik huzme yönlendirebilme ve birden fazla huzmeye sahip olma gibi kabiliyetleri ile öne çıkan faz dizili sistemler; anten elemanları arasında üretim hassasiyetleri, empedans uyumsuzlukları gibi farklılıklar nedeniyle ilk üretim anında, sıcaklık farkları ve komponent yaşlanması gibi durumlardan dolayı ise kullanım sürecinde kalibrasyona ihtiyaç duymaktadırlar. Gerekli kalibrasyon prosedürleri uygulanmayan bir faz dizili sistemde, huzme sapmaları, genişlemeleri ve yan lob seviyesi yükselmesi gibi sorunlar nedeniyle istenilen performans alınamayacakken, bazen anten huzmesi hiç oluşmayabilir ya da verici bir anten dizisi mevcutsa empedans uyumsuzlukları nedeniyle oluşan yansımalar dizideki güç yükselteçlerine zarar verebilir. Bu sebeple sistemlerin kalibre edilerek çalıştırılması elzemdir. Literatüre bakıldığında, başlıca birkaç kalibrasyon yöntemi öne çıkmaktadır.Bu kalibrasyon yöntemleri, uzak alan üzerinden ölçüm yapanlar, yakın alan üzerinden ölçüm yapanlar ve RF donanımı üzerinden ölçüm yapanlar olarak kategorilendirilebilir. Bu yöntemler içerisinden, yakın alan tarama yöntemi, halihazırda ticari olarak mevcut faz dizili sistemlere uygulanabilirliği açısından öne çıkmış ve tez kapsamında daha detaylı incelenmiştir. Bu yöntem, diğer yöntemlere kıyasla ölçüm mesafesi olarak bir kısıt getirmemesi sayesinde kapalı alanda ölçüm yapılmasına olanak sağlamıştır. Ayrıca sağladığı yüksek hassasiyet ile sadece anten huzmesinin ana lobunun değil, yan loblarının da istenen şekle getirilebilmesini sağlamaktadır. Yöntemin denenmesi kapsamında, ticari olarak mevcut Stingray isimli platform kullanılmıştır. 32 anten elemanına sahip olan bu platformda her anten elemanının faz ve genlik cevabı birbirlerinden bağımsız olarak değiştirilebilmektedir. Bu sayede anten huzmesi istenilen açıya yönlendirilebilir yahut istenilen pencereleme tekniklerinin uygulanması mümkün olabilmektedir. Stingray sistemi, bütün anten elemanları birleştirilerek bir RF kanalına indirgenmiş ve hassas bir mekanik konumlandırma sistemine yerleştirilmiştir. Ardından bir VNA ile her bir anten elemanının karşısına gelen prob anten vasıtasıyla, huzme oluşturucunun sağlayabileceği farklı genlik ve faz adımları için genlik ve faz cevabı ölçümleri alınmıştır. Ardından bu adımlar içerisinden seyreltme yapılıp orijinal cevabın tekrar oluşturulabilmesi denenmiş ve böylece ölçüm süresinin kısaltılması amaçlanmıştır. Faz adımlarında doğrusal aralıklı seyreltme yapılması yeterli olmuşken, genlik adımlarında bu yaklaşım yeterli olmamış ve doğrusallık bozularak farklı noktalarda ölçümler alınmıştır. Alınan ölçümlerle yapılan enterpolasyon sonucu test edilmiş, hata miktarı kabul edilebilir seviyelerde çıktığı için bu noktalarda asıl ölçüm sürecine geçilmiştir. Bu seyreltme sayesinde ölçüm süresinde kayda değer miktarda düşüş sağlanmıştır. Ölçüm noktalarının belirlenmesinin ardından, bir prob antenin sistemdeki tüm anten elemanlarının karşısına sırayla konumlanacağı şekilde mekanik sistem programlanmıştır. Tüm elemanların karşısındayken belirlenen noktalarda ölçümlerin alınması için bir VNA kullanılmış ve tüm süreç otomatik olarak işletilmiştir. Alınan kalibrasyon ölçümlerinin ardından toplanan veriler analiz edilerek işlenmiş ve hangi anten elemanından hangi faz ve genlik cevabının nasıl alınacağını belirleyen bir başvuru tablosu oluşturulmuştur. Başvuru tablosu yardımıyla, faz dizili antenin brodside ve farklı yönlendirilme açılarındaki huzme ölçümleri alınmış, ayrıca pencereleme uygulanarak yan lob seviyelerindeki düşüş de gözlemlenmiştir. Ayrıca, başvuru tablosunun kullanılmadığı bir senaryoda da huzme ölçümü gerçekleştirilmiş, böylece kalibrasyonun yapılmadığı durumda faz dizili antenin neden kullanılamayacağı gösterilmiştir. Son olarak, huzme ölçümlerindeki hata miktarı ve bu hataların muhtemel oluşma senaryoları incelenmiş, ileride hata miktarını daha da aşağıya çekebilmek için yapılabilecek çalışmalardan bahsedilmiştir.
Özet (Çeviri)
Phased array antenna architectures have become increasingly prevalent in modern communication, radar, and electronic warfare technologies due to their ability to perform agile beam steering and support multiple simultaneous beams. However, to fully realize their potential, these systems must overcome critical challenges arising from production tolerances, impedance mismatches, component ageing, and environmental variations. Such issues often lead to misalignments in amplitude and phase values between individual antenna elements, which can significantly degrade the overall performance of the array or causes some serious problems. Without a proper calibration, phased array systems may suffer from main lobe steering angle error, unintended beam broadening, increased side lobe levels or in extreme cases, the complete failure to form a usable beam pattern. Furthermore, in transmit arrays, mismatched impedances can lead to power reflections that risk damaging the output amplifiers. Therefore, the necessity for precise and robust calibration procedures is not just advantageous, but essential for safe and optimal system operation. The literature categorizes calibration techniques into three main groups: those that rely on far-field measurements, those that utilize near-field measurements, and those based on internal RF hardware based measurements. Among these, the near-field scanning probe method offers distinct advantages in terms of practicality, especially in laboratory or production environments. Unlike far-field techniques that often require large anechoic chambers, the near-field method can be conducted in compact indoor spaces while still delivering high accuracy. Moreover, it enables precise control over both the main and side lobe characteristics of the radiated beam because of individually measuring antenna elements. This thesis focuses on the application and performance evaluation of the near field scanning probe method using a commercially available phased array hardware known as \textit{Stingray}. The Stingray platform consist of 32 independently controllable antenna elements, each capable of individual amplitude and phase adjustment. This flexible architecture allows for beam steering to arbitrary directions and facilitates the implementation of various windowing functions to shape the beam pattern and reduce side lobe levels on the pattern. In the experimental setup, the Stingray system was configured such that all antenna elements were combined into a single RF channel that can be accessible from outside. The platform was mounted onto a high-precision mechanical positioning system with balancing all axis. A vector network analyzer (VNA) is used to measure the amplitude and phase response of each antenna element by positioning a probe antenna sequentially in front of each element. Measurements were taken across multiple phase and amplitude states supported by the system's beamformer IC. To optimize the measurement process and reduce acquisition time, the amplitude and phase state sweeps were analyzed to determine the feasibility of interpolation. Firstly, responses of the all phase states are measured and then it was decimated to 10 points. Then, interpolation is conducted on those points to recreate original response of the system. The error between original and interpolated results are examined and also by using the maximum error value and adding it to the ideal weights of the array elements, random antenna beams are simulated. With this simulation it was found that linear sampling of the phase states was sufficient to reconstruct the original response accurately. However, for amplitude states, when the linear sampling is conducted and the same procedure is done with the phase states, it is seen that the error is beyond acceptable and causes significant degrading on the antenna pattern. Therefore, the linear sampling is avoided in amplitude states and a non-uniform sampling strategy conducted by empirical methods. Highly exponential parts of the amplitude state pattern is sampled more and linear parts sampled less.The same strategy is once again conducted to see the effects of non-uniform sampling. When the interpolation results are evaluated again, it is seen that amplitude states are also able to regenerated from sample points and the associated error is determined to be within acceptable limits for calibration purposes. By the help of this step, the total measurement time is effectively reduced without compromising accuracy. Following the optimization of the measurement steps, calibration part is started. Firstly, the mechanical system was programmed to automatically align the probe antenna with each array element that will be measured. Also, the VNA is programmed to collect data for each designated amplitude and phase state when the point change trigger is reached to it, resulting in a comprehensive calibration dataset that collected automatically. This data was then post processed to generate a reference lookup table mapping desired phase and amplitude responses to the appropriate phase and gain states for each antenna element. After the calibration procedure and lookup table generation is completed, by using this lookup table, beam steering to the requested azimuth and elevation angles is calculated via steering vector and required weights for each antenna element are calculated. Afterwards, the closest values to the desired weights are chosen from the lookup table. By using those weights, the antenna pattern is simulated in different scenarios. Also, real performance of the antenna array is validated through antenna pattern measurements in both broadside and off-axis directions with the help of a pattern measurement system. In these measurements, tapering functions are also applied to demonstrate the impact of the calibration lookup table on side lobe suppression that can show both the phase and amplitude responses are calibrated. Comparative results were also generated by intentionally bypassing the calibration lookup table to illustrate the significant degradation in beam quality, highlighting the critical role of calibration. Finally, antenna pattern measurements are examined with the help of simulations, and the success of the calibration and the sources of deviations were investigated. Potential causes of errors such as measurement setup deficiencies, mutual coupling and temperature effects are mentioned. Reasons for their emergence, like inadequate resources, are also stated. Also, suggestions for future work, including how to avoid errors and shortcomings of the used calibration method, are discussed. In conclusion, the implementation and evaluation of the near-field scanning probe method using the Stingray platform have demonstrated the method's practical viability and high precision in calibrating modern phased array antennas. The results support its effectiveness, but improvements can be made in order to increase viability and also incorporation with other calibration procedures.
Benzer Tezler
- Mobil telefon kullanımına bağlı oluşan 900-1800 mhz radyo frekans dalgalarının meydana getirdiği elektromanyetik alanın iliak kanat kemik mineral yoğunluğuna etkisi
The effect of electromagnetic fields on bone mineral density of iliac bone produced by 900-1800 mhz radio frequency waves dependent on cellular phone usage
BEŞİR ANDAÇ AKSOY
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2006
Ortopedi ve TravmatolojiSüleyman Demirel ÜniversitesiOrtopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
PROF.DR. NEVRES HÜRRİYET AYDOĞAN
- BLC phase shifter low-cost antenna array design
BLC ile faz değiştiren düşük maliyetli anten dizi tasarımı
MURAT CAN AKÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER
- Mikrodalga meme kanseri hipertermi düzeneği için antipodal vivaldi anten tasarımı
Antipodal vivaldi antenna design for microwave breast cancer hyperthermia applicator
NUR BANU AKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB
- Analitik regülarizasyon methodu optimizasyonu ile milimetrik dalga faz dizisi beslemeli geniş bant parabolik anten tasarımı
Milimetric wave phase array fed wideband parabolic antenna design with analytical regularization method optimization
MEHMET AKİF TULUM
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET SERDAR TÜRK
PROF. DR. PEYMAN MAHOUTİ
- A novel antenna configuration for microwave hyperthermia
Mikrodalga hipertermi için yeni bir anten yapılanması
GÜLŞAH YILDIZ ALTINTAŞ
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB