Metasezgisel algoritmalar ile anten dizi sentezi
Antenna array synthesis using metaheuristic algorithms
Yazar: SUAD BAŞBUĞ
Danışman: PROF. DR. KERİM GÜNEY
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan optimizasyon = Non-linear optimization ; Global optimizasyon yöntemi = Global optimization method ; Çok antenli sistemler = Multiple antenna systems

Özet:
Anten dizileri, demet şekillendirme, demet tarama, yüksek yönelticilik ve kazanç gerektiren uygulamalar için çok uygun bileşenler olmaları nedeniyle, kablosuz haberleşme ve radar sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Anten dizileri çoğunlukla sahip oldukları geometrik şekilleri dikkate alınarak sınıflandırılırlar (doğrusal, düzlemsel, dairesel, eşmerkezli dairesel, vb.). Anten dizisi diyagram sentezi genel olarak, istenilen ışıma karakteristiklerini elde etmek için dizi elemanlarının yer, genlik, faz ve/veya periyodik anahtarlama zamanlarını belirleme işlemidir. Diyagram sentezi oldukça yüksek derecede doğrusallıktan uzak bir problem çeşididir ve bunun sonucu olarak klasik optimizasyon teknikleri ihtiyaçları karşılamak için yetersiz kalabilmektedir. Metasezgisel algoritmaların diğer mühendislik problemlerinde olduğu gibi, anten dizi diyagramı sentezinin bu zor problemlerinde de çözüme ulaşabildiği iyi bilinmektedir.
Bu tezde, arayıcı optimizasyon algoritması (AOA), paralel AOA, ortalama varyans eşleştirme optimizasyon algoritması (OVEOA), tarih güdümlü evrimsel algoritma (TGEA), alt popülasyonlu diferansiyel gelişim algoritması (APDGA) ve kuantalanmış su çevrimi algoritması (KSÇA) çeşitli anten dizi diyagramı sentezleri için kullanılmıştır. AOA ile sadece yer, sadece faz ve sadece genlik kontrolü yaparak doğrusal anten dizi diyagramları üzerinde sıfırlar oluşturulmuştur. Dar ana demetlere ve düşük yan demetlere sahip dairesel ve eşmerkezli dairesel dizi diyagramları paralel AOA ile elde edilmiştir. OVEOA kullanılarak üç farklı anten dizi sentezi gerçekleştirilmiştir: Yan demet bastırma ve sıfır kontrolü, kosekant şekillendirilmiş demet sentezi ve dizi arızası düzeltme. TGEA analog ve dijital faz kaydırıcılı yeniden düzenlenebilir anten dizisi tasarımı için kullanılmıştır. APDGA ile dizi elemanlarının açma-kapama zaman aralıklarını ve faz değerlerini kontrol ederek zaman modülasyonlu dairesel anten dizisinin sıfır sentezi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, APDGA'nın sınırlı donanıma sahip sistemlerde de çalışıp çalışmadığını araştırmak için aynı simülasyonlar bir gömülü mikroişlemci üzerinde gerçekleştirilmiştir. KSÇA dijital faz kaydırıcılar kullanılarak düşük yan demetlere ve istenilen doğrultularda sıfırlara sahip doğrusal anten dizi sentezi için kullanılmıştır. Literatürdeki mevcut sonuçlarla AOA, paralel AOA, OVEOA, TGEA, APDGA ve KSÇA ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Genel olarak, anten dizi sentezi problemleri için, AOA, paralel AOA, OVEOA, TGEA, APDGA ve KSÇA'nın diğer popüler algoritmalarla rekabet edebilecek nitelikte iyi birer alternatif olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Antenna arrays are commonly used in the wireless communication and radar technologies since they are very capable of being convenient components for the applications which require beam shaping, beam steering, high directivity and gain. Antenna arrays are mostly classified by considering their geometrical structures (linear, planar, circular, concentric circular, etc.). Antenna array pattern synthesis, in general, is the process of determining the position, amplitude, phase and/or periodic switching time values of the array elements to obtain desired radiation characteristics. Pattern synthesis is a highly nonlinear problem and therefore the classical optimization techniques may fail to satisfy the requirements. It is well known that metaheuristic algorithms can solve difficult optimization problems of the antenna array pattern synthesis, as well as other engineering problems.
In this thesis, seeker optimization algorithm (SOA), parallel SOA, mean-variance mapping optimization (MVMO) algorithm, history driven evolutionary algorithm (HdEA), sub-populated differential evolution (subDE) algorithm and quantized water cycle algorithm (QWCA) are used for several antenna array pattern synthesis. SOA is used for null steering of linear antenna arrays by controlling the position-only, phase-only, and amplitude-only. Parallel SOA is utilized to obtain circular and concentric circular antenna array patterns with narrow main beams and low sidelobe levels. MVMO algorithm is employed for three types of antenna array synthesis examples: sidelobe suppression and null control, synthesis of cosecant shaped beams and array failure correction. HdEA is used for the design of reconfigurable antenna arrays with analog and digital phase shifters. subDE is utilized for solving null synthesis problems of time-modulated circular antenna arrays by controlling time intervals and phases of the array elements. Additionally, the same simulations are executed on an embedded microprocessor to investigate if subDE can also run on such a limited environment. QWCA is used for the linear antenna array pattern synthesis with low side lobe levels and nulls at desired directions by using digital phase shifters. Some comparisons are made between the results from the literature and the results obtained by SOA, parallel SOA, MVMO algorithm, HdEA, subDE algorithm and QWCA. Overall, it can be concluded that SOA, parallel SOA, MVMO algorithm, HdEA, subDE algorithm, and QWCA are competitive alternatives to the more popular techniques.