X-bantta Minkowski yansıtıcı dizi anten analiz ve tasarımı
Minkowski reflectarray analysis and design at X-band
Yazar: ENDER ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. BİRSEN SAKA TANATAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Klasik fazlı dizi antenlerin hüzme yönlendirme kabiliyeti ve yansıtıcı antenlerin verim ve tasarım kolaylığı avantajlarını başarı ile bir araya getiren yansıtıcı dizi antenler son yıllarda ilgi çeken konulardan olmuştur. Metamatiksel olarak, sınırlı bir alanda sonsuz kenar uzunluğu elde edilmesine imkan tanıyan fraktal yapılar ise anten mühendisliğinde, anten minyatürizasyon alanında kendine kullanım alanı bulmuştur.Yapılan literatür taramasında, en sık kullanılan fraktal yapılardan biri olan Minkowski fraktalları ile yapılan yansıtıcı dizi antenlerin tam bir döngüyü tamamlayacak kadar geniş faz eğrileri bulunmadığı görülmüştür. Bu çalışmada, Miknowski fraktalları ile küçültülmüş yansıtıcı dizi antenler üretilmiştir. Faz genişliğinin tam döngünün üzerine çıkarılabilmesi için tek katmanlı yapıya eklenen geciktirici eklentiler ve çok katmanlı yarık bağlaşımlı geciktirici eklentiler kullanılmıştır.

Çalışmada dizi anten teorisinin yanı sıra yansıtıcı düzlem yapılar için Green Fonksiyonu çıkarımı ile yansıtıcı dizi anten birim hücre analizinde kullanılan "sonsuz dizi yaklaşımı" açıklanmıştır. 

Çalışmalar sırasında tek katmanlı yapılar için tek eklentinin çapraz polarizasyon seviyesinde yükselmeye sebep olduğu görülmüş, bu sorunu aşmak için birbirine dik konumlanmış çift eklenti kullanılması önerilmiştir. Bu önerinin geçerliliğini göstermek için Hacettepe Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Baskı Devre Laboratuvarında üretilen birim hücre örnekleri, dalga kılavuzu tekniği ile ölçülmüştür. Ölçüm ve simülasyon sonuçlarında büyük oranda örtüşme sağlanmış ve böylece yapının başarısı gösterilmiştir.

Birim hücre tasarımında tasarım parametrelerinin eniyilenmesi için bir süreç öngörülmüş ve her iki yöntem için ayrı ayrı uygulanmıştır. Süreçte özetle, her bir parametre, diğer tüm parametreler sabit tutularak, değiştirilmekte, faz genişliğinin bir tam döngüden büyük olduğu ve faz eğrisinin hedeflenen eğriye en yakın olduğu değer seçilmekte, tüm parametreler için bu işlem yapıldıktan sonra eğer yeterli doğrusallık sağlanamazsa süreç baştan tekrar edilmektedir.

Ansys® HFSS™ programı kullanılarak, belirlenen dielektrik malzeme seti için birim hücre tasarımı yapılmıştır. Tek katmanlı yapıda tek döngü, çok katmanlı yapıda, eklenti için daha geniş yer olması sebebiyle iki döngüye kadar faz genişliği elde edilebilmiştir. Sonrasında, belirlenen geliş açısında ve besleme anteni konumuna bağlı olarak 221 elemanlı dizi anten elemanları için eklenti boyları çıkarılmıştır. Asitle eritme yöntemi ile anten üretimi yapılmıştır.

Üretilen tek ve çok katmanlı yapılar Orta Doğu Teknik Ünveristesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Anten Araştırmaları Laboratuvarında yer alan yanksız odada ölçümlenmiştir. Sonuçta ana hüzme, yarım güç hüzme genişliği, yan kulakçık seviyeleri ve örüntü sıfırı konumlarında önemli ölçüde uyum gözlenmiştir.
 
Tek ve çok katmanlı yapıların yan kulakçık seviyeleri ve yarım güç hüzme genişliklerinin birbirine yakın olduğu, öte yandan çok katmanlı yapının kazancının 1.1dB, yüzey yansıma veriminin %5 daha yüksek olduğu görülmüştür. Tek katmanlı anten ile %10.9 minyatürizasyon sağlanırken çok katmanlı antende, kalınlığın yaklaşık 5 katına çıkmasından ötürü hacim olarak artış olsa bile yüzey alanında %21.9'a varan küçülme sağlanabilmiştir.

Abstract:
Reflectarray antennas known with their ability of getting together successfully, capability of beam steering of conventional phased arrays and good efficiency and ease of design features of reflector antennas, are one of the most popular topics in recent years. Fractal geometries, if iterated infinite times, provide infinite circumference at a finite reach. This special property opens an area of development for reflectarray antennas in terms of miniaturization. In the literature review, it is observed that for reflectarrays using Minkowski fraktals which is the most widely used fractal in antenna engineering, could not reach one cycle phase range. In this work, miniaturized reflectarray antennas are produced by using Minkowski fractals as main reflector. In order to achieve a phase range more than a full cycle, a single layer with delay stubs and a multilayer structure with aperture coupled stubs are employed.

In the thesis, Green's Function implementation for planar surfaces and infinite array approach that is used in analyzing reflectarray antenna unit cells are elaborated as well as reflectarray antenna theory formulations.

During the work, for single layer reflectarray, it is observed that single stub option causes high cross polarization levels, therefore usage of two stubs with orthogonal symmetry is proposed to overcome the problem. In order to show the validity of the proposal, unit cell samples produced in Hacettepe University Electrical and Electronics Engineering Printed Circuit Laboratory are measured by waveguide measurement technique. Simulation and measurement results are in concordance and the reliability of proposed setup is proved.

In unit cell design, an optimization procedure is prescribed and implemented for both single and multi layer antenna structures. Proposed procedure works like, among all parameters that are subject to optimization, one is chosen at each time and simulated to find total phase range, amplitude and an error value which decreases as the phase curve approaches to a target line. The optimum value is chosen and designated in the software for the following simulations. First iteration is completed after all parameters are defined. In case not enough linearity, phase range and/or amplitude could be reached, further iterations are conducted.
 
Unit cells are simulated and designed for predefined dielectric materials by using Ansys® HFSS™ software. One full cycle for single layer and more than two cycles for multi layer structure is obtained. Then stub lengths are calculated for 221 elements of the antenna depending on predefined incident wave direction and  feed antenna position. Full size antenna is fabricated using acid treatment method.

Fabricated single and multi layer antennas are measured in unechoic chamber of Middle East Technical University Electrical and Electronics Engineering Antenna Research Laboratory. Significant similarity is observed in main beam shape, half power beamwidth, side lobe levels and notch positions between measurement and simulation results.
 
It is observed that side lobe levels and half power beam widths of single and multi layer antennas are close to each other. However, multi layer antenna has 1.1 dB better gain and 5 % more aperture efficiency. 10.9% miniaturization is realized by single layer antenna. On the other hand, although the thickness is increased five times in comparison with single layer structure, multilayer antenna achieves 21.9% miniaturization.