Doğrusal anten dizileri için ölçeklenebilir örtüşen alt-dizi mimarisi ile X-bant hüzme yönlendirme sistemi
A scalable X-band overlapped subarray beamformer for linear phased array antennas
Yazar: YASİN ÖZER
Danışman: PROF. DR. SELÇUK PAKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten dizileri = Antenna arrays ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas ; Çok antenli sistemler = Multiple antenna systems

Özet:
Modern haberleşme sistemlerinde birden çok kullanıcıya yönelik iletişimin etkili bir biçimde gerçekleştirilmesi; elektronik harp ve radar gibi sistemlerde gelişmiş tehditlere karşı çoklu hedeflerin tespit edilmesi, anlık takibi ve görüntülenmesi amacıyla günümüzde faz dizili sistemler tercih edilmektedir. Bu sistemler elektromanyetik dalgaları istenilen formda şekillendirmek için dizi anten yapıları ve hüzme yönlendirme yapıları içermektedir. Bu yapılar ile oluşturulmak istenen hüzmenin kazancı uzayda istenen yönlerde arttırılıp azaltılabilmekte, hüzme genişliği ayarlanabilmekte ve aynı anda birden çok hüzme oluşturulabilmektedir. Dizi anten yapılarında anten kazancını arttırmak için efektif anten açıklığının arttırılması gerekmektedir ve eleman sayısını arttırmak bu açıklığın artmasını sağlar. Eleman sayısı arttıkça anten arkalarında bulunan hüzme yönlendirme yapıları daha karmaşık hale gelir, bir bütün olarak tasarlanmaları ve üretilmeleri zorlaşır. Bu nedenle dizi anten yapısının alt dizilere bölünerek incelenmesi, tasarım ve üretim aşamalarını kolaylaştırabilmektedir. Bu nedenle dizi anten içerisinde fiziksel olarak yakın konumlanmış elemanlar hüzme oluşumu için dizideki diğer elemanlara göre daha yakın faz ve genlik değerine ihtiyaç duyması nedeniyle bir alt dizi altında gruplanabilir. Antenlerin ihtiyaç duyduğu genlik ve faz değerleri, alt dizi içerisinde kullanılacak yükselteç ve faz kaydırıcıların kontrolü ile sağlanabilir, böylece alt dizi içerisinde analog hüzme yönlendirme tekniği kullanılmış olur. Her bir alt dizinin çıktıları örneklenmek üzere analog-dijital dönüştürücülere (ADC) aktarıldığında alt dizi seviyesinde sayısal hüzme yönlendirme yapılmış olur ve böylece eleman seviyesinde analog, alt dizi seviyesinde sayısal hüzme yönlendirme tekniği kullanılarak hibrit hüzme yönlendirme tekniği oluşturulabilir. Bu tez çalışmasının ilk bölümünde; hüzme yönlendirme yapıları incelenmiş ve fazlı dizi sistemlerde kullanılan hüzme yönlendirme yapıları karşılaştırılmıştır. İkinci bölümde, dizi anten tasarımı aşamalar halinde incelenmiş ve tasarımdan yola çıkılarak üretilen 1×12 dizi anten yapısının benzetim ve ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Üçüncü bölümde, dizi anten yapılarının besleme devreleri incelenmiştir. Dizi yapısının alt diziler altında gruplanması ile anten arkasındaki hüzme yönlendirme yapılarının daha efektif kullanılmasını, tasarlanmasını, üretilmesini sağlayacak özel bir mimari olan örtüşen alt dizi mimarisine sahip almaç sistemi tasarımı yapılmıştır. Bu mimariyi içeren alt dizi kartının baskı devre kartı tasarımı yapılmış ve bu tasarımdan yola çıkarak üretilen baskı devre kartlarının benzetim ve ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Sonraki bölümlerde ise sırasıyla çalışma kapsamında karşılaşılan zorluklar, sonuçlar, öneriler ve gelecek planları irdelenmiştir. Sistem tasarımını gerçeklemek için anten dizisi ve örtüşen alt dizi mimarisi içeren alt dizi kartları tasarlanmış, üretilmiş, test edilmiş ve benzetim sonuçları ile kıyaslanmıştır. Çalışmalar kapsamında X-bant frekans aralığında bulunan 8000MHz–9250MHz frekanslarında çalışabilen, 1250MHz bant genişliğine sahip, 16dBi kazançlı, merkeze göre ±50°'ye kadar uzaysal yönlenme yapabilen 1×12 elemanlı doğrusal bir anten dizisi tasarlanmıştır. Anten dizisi ile uyumlu çalışabilmesi için aynı frekans bandında çalışan hüzme yönlendirme kartları tasarlanmıştır. Hüzme  yönlendirme kartları, dizi yapısına istenilen faz ve genlikte sinyal aktarabilecek şekilde, alt dizi tekniği kullanılarak tasarlanmıştır. Alt dizi mimarisinin özel bir tekniği olan örtüşen alt dizi mimarisi  kullanılması sayesinde, alt dizi içerisindeki anten elemanları, kendisine komşu olan diğer alt diziler tarafından da kullanılmaktadır. Bu sayede bir anten elemanı, birden fazla alt diziye hizmet etmekte ve aynı anda birden fazla hüzmenin oluşmasına katkı sağlamaktadır. Gerçeklenen sistem ile 26dB kazançlı, 3 dB gürültü figürüne sahip 3 adet hüzme  yönlendirebilen alıcı ön kat devresi aynı anten elemanları üzerinde örtüşecek şekilde  tasarlanmıştır. Anten elemanlarının eş genlik & faz ile beslenmesi durumunda 1×12 elemanlı dizi anten yapısı ölçümlerinde 16dBi kazanç elde edilmiş ve toplamda 42dB  kazançlı 3 adet alıcı ön kat devresi içeren hüzme yönlendirme sistemi ölçümlerle  doğrulanmıştır. Buna ek olarak alıcı ön kat devrelerinin çıkışlarının birleştirilmesiyle  kazanç değeri 45dB seviyesine çıkartılabildiği ve ışıma diyagramınını örnekleyecek  ADC ihtiyacının azaltılabildiği ölçümlerle doğrulanmıştır.

Abstract:
In modern communication systems, phased array systems are preferred for effective  communication with multiple users, as well as for detecting, tracking, and displaying  multiple targets against advanced threats in systems such as electronic warfare and  radar. These systems contain array antenna structures and beam steering structures to shape electromagnetic waves in the desired form. The gain of the desired beam can be increased or decreased in the desired directions in space, the beam width can be adjusted, and multiple beams can be created simultaneously. To increase the effective aperture of the antenna in array antenna structures, the number of elements must be increased, which results in more complex beam steering structures behind the antenna elements, making their overall design and production more difficult. Therefore, dividing the array antenna structure into subarrays can facilitate design and production processes.Therefore, due to the need for closer phase and amplitude values for physically closely positioned array antenna elements to form the beam, these elements can be grouped under a sub-array, which uses analog beamforming technique. When the outputs of each subarray are transferred to ADCs for sampling, analog beamforming is performed at the element level and digital beamforming is performed at the subarray level, creating a hybrid beamforming technique.In the first part of this thesis, beamforming structures are examined, and the beamforming structures used in phased array systems are compared. In the following sections, a receiver system design is proposed, which will allow for more effective use, design, and production of the beamforming structures behind the antenna elements by grouping them under subarrays. With this design, an antenna element can simultaneously contribute to the formation of three different beams, resulting in a more efficient use of the antenna aperture. The proposed system enables the creation of multiple beams directed towards different angles in space and the formation of different beam shapes.An array of antenna and subarray boards containing overlapping subarray architecture were designed, produced, tested, and compared with simulation results to realize the system design. A 12-element linear antenna array was designed to operate in the Xband frequency range, with frequencies ranging from 8000MHz to 9250MHz, a bandwidth of 1250MHz, a gain of 16dBi, and spatial directionality of up to 50° relative to the center.Beamforming boards operating in the same frequency band were designed to excite the antenna array in the desired manner.The beamforming boards were designed using subarray techniques to transfer signals to the array structure with the desired phase and amplitude. By using the unique technique of overlapping subarray architecture in the subarray design, the antenna elements within the subarray are also used by neighboring subarrays. As a result, a single antenna element serves multiple subarrays, contributing to the formation of multiple beams simultaneously.The implemented system consists of three receiver front-end circuits capable of steering three beams with a gain of 26 dB and a noise figure of 3 dB, designed to overlap on the same antenna elements. When the antenna elements are fed with related amplitudes and phases, a gain of 16 dBi was achieved in measurements conducted on a 1x12 array antenna structure and validated through measurements. Additionally, it has been confirmed through measurements that by combining the outputs of the receiver front-end circuits, the gain can be increased to 45 dB, and the need for an ADC to sample the radiation pattern can be reduced.