Fraktal yapıda yansıtıcı yüzeye sahip boyutu küçültülmüş arşimet spiral anten tasarımı
Low-profile, archimedean spiral antenna with hexagonal fractal reflector surface
Yazar: RABİA NUR SAĞ
Danışman: PROF. DR. NURHAN TÜRKER TOKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Radar ve kablosuz haberleşme sistemlerinde geniş bantlı anten ihtiyacı bulunmaktadır. Spiral antenler, teoride 1:30 oranında bant genişliğine sahip olabilmektedir. Düzlemsel geometrileri sayesinde konformal yüzeylere uyumlu olarak çalışabilmektedir. Tez kapsamında, spiral anten çeşitlerinden 2 kollu ve 4 kollu Arşimet spirali, log periyodik spiral ve dörtgensel spiral antenler karşılaştırmalı olarak tanıtılmış, tasarım parametreleri incelenmiştir. Yeraltı görüntüleme benzeri radar sistemlerinde, elektromanyetik dalganın derine nüfuz edebilmesi, yüksek anten kazançlarına sahip olmayı ve düşük frekanslarda çalışmayı gerektirmektedir. Spiral antenin alt çalışma frekansı spiralin dış çap uzunluğu tarafından belirlenmektedir. Bu sebeple spiral antenin düşük frekanslardaki boyutu büyük olmaktadır. Anten boyut küçültme tekniklerinden spiral etrafına halka ekleme, spiral kollarını yontma, spiral kollarını direnç ile sonlandırma ve spiral kollarına menderes ekleme teknikleri incelenmiş, sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Boyut küçültme tekniklerinden en iyi sonucu veren spiral kollarını yontma işlemi, tasarlanan 2 kollu Arşimet spiral anteninde uygulanmıştır. Uygulanan teknik sonucunda, antenin fiziksel alanında %13,14 oranında küçültme sağlanmıştır. Tasarlanan ve üretilen 2 kollu Arşimet spiral anteni 150 MHz-2000 MHz frekans aralığında (1:13,3) çalışmaktadır. Spiral anten, 150 MHz-1050 MHz frekansları arasında 3 dB eksenel oran bant genişliğine (1:7) sahiptir. Tasarlanan antenin tek yöne ışıma yapması beklendiği için yansıtıcı toprak düzlemine ihtiyaç bulunmaktadır. Piyasada çoğunlukla silindirik kavite şeklinde olan yansıtıcı yüzey yapıları kullanım ve maliyet etkin değildir. Bu sebeple altıgen fraktal yapıda olan ve dairesel polarizasyona olumlu etkiler sağlayan yansıtıcı yüzey tasarımı yapılmıştır. 2 kollu Arşimet spiral anteni ve empedans dönüştürücü balun tasarımları, 1,6 mm kalınlığa sahip FR-4 tabanlı malzeme üzerinde üretilmiştir. Fraktal yapıdaki alüminyum malzemeye sahip yansıtıcı yüzey in üretiminde CNC cihazı kullanılmıştır. Üretimi ve montajı tamamlanan anten sisteminin ölçümleri yapılmış ve üretim sonuçları, ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırmalı olarak verilmiştir.

Abstract:
Radar and wireless communication systems require antennas with a broad bandwidth. Theoretically, spiral antennas are frequency-independent, and its bandwidth could be 1:30. It has a planar geometry and is compatible with conforming surfaces. In this thesis, 2-arm, and 4-arm Archimedean spiral antennas, log periodic spiral antennas, and rectangular spiral antennas are compared, and their design parameters are analyzed. Radar systems, such as ground penetrating radar, require high antenna gains and operation at low frequencies for electromagnetic radiation to penetrate deeply. The outer diameter of the spiral determines the lower operating frequency of the spiral antenna. At low frequencies, the spiral antenna has a large antenna size for this purpose. Numerous methods for minimizing the size of spiral antennas, such as adding a ring to the spiral, tapering the spiral arms, terminating the spiral arms with a resistor, and adding a meander line to the spiral arms, have been investigated. The outcomes are compared. The 2-arm Archimedean spiral antenna was reduced using a method that yields the optimal size reduction outcomes. This reduced the spiral antenna's surface area by 13.14 percent. The 2-arm Archimedean spiral antenna developed and manufactured has an impedance bandwidth of 1:13.3 and operates between 150 MHz and 2000 MHz. Between 150 MHz and 1050 MHz, the spiral antenna has a 3 dB axial ratio bandwidth (1:7). Given that the antenna designed for the project must radiate in a single direction, a reflective ground plane is necessary. Commonly shaped as cylindrical cavities, reflective surfaces are ineffective and costly. Because of this, a reflecting surface with a hexagonal fractal pattern that has positive effects on circular polarization has been developed. FR-4 material with a thickness of 1.6 mm was utilized to design the 2-arm Archimedean spiral antenna and impedance-matching balun, and a CNC machine was used to construct the reflective surface with a fractal structure. The fabrication and simulation results of the fabricated and assembled antenna system are presented comparatively.