Güvenlik maksatlı radar sistemleri için yüksek kazançlı mikroşerit yama anten tasarımı
Design of high gain microstrip patch antenna for security purposes radar systems
Yazar: KADİR ÖZENÇ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA EMRE AYDEMİR ; YRD. DOÇ. DR. AHMET ÖNCÜ
Hava Harp Okulu Komutanlığı / Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, yeni bir yaklaşım olarak 1,26 GHz rezonans frekansında çalışan, yüksek kazançlı tek eleman mikroşerit yama anten tasarlayabilmek için, çift tabakalı ve hava boşluklu bir üretim metodu sunulmaktadır. Çift tabaka tekniği, bize anten üretiminde kolay üretim sağlamasının yanı sıra, her iki tarafı bakır olan alt tabaka, bir yüzeyin toprak düzlemi diğer yüzeyin ise bu çalışma için ihtiyaç halinde bir yükseltici, dizi anten tasarımlarında besleme ağı tasarlanmasına imkan sağlayarak yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bu tasarımda, yüksek kazanç ve üretim kolaylığı haricinde düşük maliyetli bir üretim ayrıca hedeflenmiştir. Bunun için, teflon, seramik gibi pahalı ve taban malzeme kaybı düşük olan malzemeler kullanmak yerine, kolay temin edilebilen ve piyasadaki en ucuz plaka olan iki adet FR4 kullanılmıştır. Bu iki tabaka arası hava boşluğu ile ayrılarak, yalıtkan taban üzerinde oluşan elektrik alanı yoğunluğu ve etkin dielektrik sabiti azaltılmıştır. Böylece, düşük kayıplı yüksek kazançlı tek elemanlı mikroşerit yama anten elde edilmiştir. 
İkinci bölümde, mikroşerit antenler konusunda genel bilgi verilmiş, tezin amacı ve literatür araştırması yapılmıştır.
Üçüncü bölümde, yüksek dielektrik sabitine (?r =4,4) ve yüksek tanjant kaybına (q=0,019) sahip olan FR4 ile 1,26 GHz?de çalışan dikdörtgen yama anten tasarımları yapılarak performasları araştırılmıştır. İlk olarak, mikroşerit iletim hat beslemeli (inset feed) dikdörtgen yama anten tasarımı, simülasyonu ve üretimi yapılmıştır. Yansımasız odada elde edilen ölçüm sonuçlarıyla (geri dönüş kaybı: -13,1 dB, bant genişliği: 20 MHz, kazanç: 2,5 dBi, verimlilik: % 34) simülasyon sonuçlarının uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Ardından eş eksenli hat beslemeli (probe feed) dikdörtgen yama anten tasarımı, simülasyonu ve üretimi yapılmıştır. Bu antenin geri dönüş kaybının -13 dB, kazancının 1,8 dBi, % 30,2 verimlikte olduğu görülmüştür. FR4 üzerine tasarlanan bu antenler yaklaşık 7 dBi yönlülükte olmasına rağmen, yüksek taban malzeme kaybından dolayı yukarıda düşük kazanç ve düşük verimlilik elde edilebildiği tespit edilmiştir. Ardından, yüksek kazançlı, çift tabakalı ve hava boşluklu mikroşerit dikdörtgen yama anten geliştirilmiştir. Canlı tespit radar sistemleri için kullanımı düşünülen bu yeni tasarım anten % 94 verimlilik, 9,58 dBi kazanç, 3 dB açısal demet genişliği 63,6 derece, 48 MHz bant genişliği ve -20 dB yan hüzme seviyesine sahiptir. Bu sonuçlardan, önsöz bölümünde de belirtilen, hedeflenen anten karakteristik özelliklerine ulaşıldığı görülmektedir.
Dördüncü bölümde, önceki bölümde elde edilen yeni tasarım anten 2x2?lik düzlemsel dizi antene dönüştürülmüştür. Öncelikle, mikroşerit dizi anten için Wilkinson güç bölücü kullanarak 1:4?lük besleme ağı gerçekleştirilmiştir. Besleme ağının öncelikli olarak Advanced Design System (ADS) programı ile benzetimi yapılmış ve kimyasal kazıma yöntemiyle üretilerek ölçümü yapılmıştır. Elde edilen sonuçların oldukça uyumlu olduğu gözlemlenmiş, besleme ağındaki yol kaybı ve yalıtkan kaybından dolayı yaklaşık -1 dB kaybın olduğu tespit edilmiştir. Bu devreler bir araya getirilerek, besleme ağı entegre edilmiş 2x2?lik yüksek kazançlı düzlemsel dizi anten ortaya çıkarılmıştır. Bu sayede, bahsetmiş olduğumuz yaklaşım doğrulanmıştır.
Gerçekleştirilen 2x2?lik mikroşerit düzlemsel dizi anten, 12,1 dBi kazanç, % 66 verimlilik, demet genişliği 40 derece, yan hüzme seviyesi -20 dB, bant genişliği 50 MHz ve ana hüzme yönü 7 derece gibi karakteristik özelliklere sahiptir. 
Elde edilen yüksek kazançlı tek eleman mikroşerit yama anten ile 2x2?lik düzlemsel mikroşerit anten, başta canlı tespit radar sistemleri olmak üzere küresel konumlama sistemleri ve kablosuz haberleşme sistemleri için kullanımı uygundur

Abstract:
In this paper, we introduce a new method using double layer with airgap to design a high gain single element microstrip rectangular patch antenna operating at 1.26 GHz. Double layer technique provide us easy fabrication, besides, under layer consisted of double-sided copper ensure using one side as ground plane and other side as feed network for higher gain array antenna. Low cost fabrication also has been taken into account. To do that, we used a widely available FR4 material and instead of using low-loss and expensive substrates such as teflon or ceramic, we inserted an air gap between radiating and ground planes. This air gap reduces both the electric field concentration on the lossy epoxy and the effective dielectric constant of the radiating plane. Therefore, a low-loss and high-gain single element rectangular patch antenna is obtained. 
In the second section, general information on the microstrip antennas and purpose of this thesis have been introduced. In addition, literature search has been done. 
In the third section, we have searched the performances of the standard recrangular patch antennas designing with FR4 having high dielectric constant (?r =4,4) and tangent loss (0,019). Firstly, inset feed rectangular patch antenna has been designed, simulated and fabricated. Return loss -13,1 dB, band width 20 MHz, gain 2,5 dBi and efficiency %34 have been measured. Following this, probe feed rectangular patch antenna has been designed, simulated and fabricated. Return loss -13 dB, band widh 16 MHz, gain 1,8 dBi and efficiency %30,2 have been obtained for this probe feed standard rectangular patch antenna. This antennas designed on the FR4 laminate have been observed having low gain and low efficiency owing to FR4 substrate loss although they have about 7 dBi directivity. So , we have devoloped microstrip rectangular patch antenna using double layer with air gap. This new design antenna have % 94 efficiency, 9,58 dBi gain, 63,6 degree beam width, 20 MHz band width and -20 dB side lobe level. The results of this new design antenna show that we have reached the purposed specifications which are explained in the introduction section.
In the forth section, single element the new design antenna has been turned into 2x2 microstrip array antenna. Initialy, feed network for this array antenna has been designed using ADS and fabricated through chemical etching method. The close similarity between simulation results and measurement results has been observed and detectioned -1 dB loss due to substrate and line loss. Following the production of feed network, we have created high gain 2x2 microstrip rectangular patch antenna entegrated feed network. Thanks to this design, we have confirmed our new aproximation.
The high gain 2x2 microstrip rectangular patch antenna entegrated feed network have 12,1 dBi gain, % 66 efficiency, 40 degree beam width, -20 dB side lobe level, 50 MHz band width  and 7 degree main lobe direction. All of the measurement in this thesis have been done in unechoic chamber. Furthermore, we used CST Microwave Studio for simulation and design of antennas.
Obtained high gain single element antenna and 2x2 array antenna are appropriate to use in especially life detection radar systems, global position satellite systems, and wireless communication systems