Çok amaçlı açıklığı daralan yarık anten tasarımı ve performans artırımına yönelik anten parametrelerinin optimizasyonu
Multi-objective tapered slot antenna design and optimization of antenna parameters for performance improvement
Yazar: EMRAH UĞURLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Global optimizasyon yöntemi = Global optimization method ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas ; Parametre optimizasyonu = Parameter optimization ; Vivaldi anten = Vivaldi antenna ; Yarık anten = Slot antenna ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization ; Şerit antenler = Strip antennas

Özet:
Kablosuz haberleşme ve uydu haberleşmesinde görülen yeni gelişmeler sonucunda ortaya çıkan yüksek bandgenişliği ihtiyaçları, geniş bir frekans aralığında çalışabilecek anten tasarlama konusunu popüler hale getirmiştir. Halihazırda, başta askeri haberleşme uygulamaları olmak üzere, mobil platformlarda genişbantlı ve yüksek veri hızlarında ufuk ötesi haberleşmesi yapabilmeye olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu ihtiyaç yüksek bandgenişliği kapsamında Ultra Genişband (UGB) teknolojisini öne çıkarmaktadır. UGB teknolojisi ile merkez frekansının en az %20'sine veya en az 500 MHz bandgenişliğine sahip elektronik sistemler ve bu sistemlerde kullanılabilecek antenleri tasarlama anlaşılmaktadır. UGB teknolojisini kullanan sistemlerden havacılık ve uzay alanında kullanılanlar, bandgenişliğinin yanında ayrıca boyut, ağırlık ve incelik kriterlerini de sağlamak durumundadır. Bu durumda hem bandgenişliği büyük olan hem de küçük boyutlu olan anten tasarlama ihtiyacı ortaya çıkmıştır. 
Hafiflikleri, küçük boyutlu oluşları ve üretim maliyetlerinin düşüklüğü gibi özelliklerinden dolayı Mikroşerit Antenler (MŞA) günümüzde bu ihtiyaçları karşılayabilecek duruma gelmiştir. Özellikle, mikrodalga teknolojilerindeki gelişmeler bu sistemlerde kullanılacak antenlerin hem daha fazla band genişliğine sahip olmalarını, hem de olabildiğince küçük olmalarını gerektirmektedir. Bunlara ilaveten, üretim kolaylığı da anten tasarımı açısından göz önünde bulundurulacak üçüncü bir faktör olarak sayılabilir. Bu üç hedefe ulaşmaya yönelik en iyi seçimlerden birisi ise Açıklığı Daralan Yarık Antelerdir. Açıklığı Daralan Yarık Anten (ADYA) tipi antenler, yüksek bandgenişlikleri ve hafiflikleri sayesinde hava ve uzay platformlarında kullanılabilecek en iyi adaylardan birisi olarak karşımıza çıkmaktadır. 
ADYA tipi antenlerin ayırt edici özellikleri, besleme noktasından uzaklaştıkça açıklığı giderek artan ve antenin ışıma yapan bölgesini oluşturan bir yarıktan oluşmalarıdır. Veya bir başka bakış açısıyla, yarık ağzından besleme noktasına doğru giderek daralan bir profile sahiptirler. Antenlerin ışıma yapan bölümlerine ait daralma profilleri, ADYA tipini belirler. Literatürde, ADYA tipi antenlerin daralma profillerinin anten performansı üzerine olan etkileri incelenmekte ve araştırmalar devam etmektedir. Ayrıca ADYA tipi antenlerde mikroşerit hattan açıklık hattına geçişin bandgenişliği üzerine olan etkileri oldukça fazladır. Balun geçişi, dairesel ve radyal parçalar kullanarak geçiş gibi yöntemler bu alandaki çalışmaların bazılarıdır. 
Bilindiği üzere MŞA'lerin fiziksel ve elektriksel parametrelerini belirlemek ve amaca göre en iyi sonuçları elde etmek için optimizasyon yöntemlerini kullanmak oldukça etkilidir. Fakat, ADYA alanında optimizasyon algoritmaları ile yapılan çalışma sayısı oldukça sınırlıdır. Bunun yanında X-Band Uydu Haberleşmesi (Satellite Communication - SATCOM) frekans bölgesine yönelik bu tip antenlerle ilgili özel bir çalışma yoktur. Bu sebeple ADYA tipi antenler üzerine bir meta-heuristic optimizasyon algoritması ile ve X-Band SATCOM alanında kullanılabilecek, 7250 -- 7750 MHz aralığında bir alıcı anten tasarımı bu tez çalışmasının konusu olmuştur. Söz konusu antenin performansını yeterli seviyeye ulaştırarak en az 500 MHz lik bir aralıkta çalışabilecek bir UGB anten olmasına çalışılmıştır. ADYA tipi bu antenin hava veya uzay platformlarında kullanılması beklendiğinden, boyutlarda küçültme sayesinde hafiflik ve yüzey alanı gibi özelliklerde de iyileştirme amaçlanmıştır. 
Çalışmada üç daralma profili tasarlanıp incelenmiştir. Bunlar, Dual Eksponansiyel Daralma, Dual Doğrusal Daralma ve Dual Dairesel Daralma profilleridir. Dual Eksponansiyel Daralma profili literatürde daha önce yer alan bir profildir. Fakat bu profilden hareketle Dual Doğrusal Daralma ve Dual Dairesel Daralma profilleri bu çalışma ile literatüre kazandırılmıştır. Ayrıca bu profillerdeki antenlerden doğrusal daralan hariç diğer iki profilde  varyasyonlar üretilerek mikroşerit hat ilaveli ve mikroşerit hat ilavesiz olmak üzere toplamda beş farklı anten tipi geliştirilmiştir.
Tüm anten tipleri ve daralma profilleri üç parametre cinsinden ifade edilmiştir. Bu parametreler a, b, w dir. Her bir parametrenin optimum değeri, High Frequency Structure Simulator (HFSS) yazılımı içerisinde Genetik Algoritma kullanılarak hesaplanmıştır.
Sonuç olarak, 7250 -- 7750 MHz SATCOM frekans bölgesi hedeflenerek yapılan çalışmalarda elde edilen bandgenişliğinin bu bölgeyi önemli ölçüde kapsadığı görülmüştür. Buna ilave olarak geri dönüş kaybı performansı, verim ve kazanç gibi parametrelerin literatürdeki benzerlerine göre yüksek olması ve uyumlu olması sağlanmıştır. Ayrıca Dual Eksponansiyel Daralan profilin iyileştirilmesinin yanı sıra, Dual Doğrusal Daralan ve Dual Dairesel Daralan profilli anten tasarımları da gerçekleştirilerek literatüre iki yeni daralma profili ve yarım halka şekilli parçalar içeren yeni bir besleme tekniği kazandırılmıştır
Üretilen antenler, konvansiyonel SATCOM alıcı antenlerine göre oldukça küçük, hafif ve çok daha düşük maliyetlidir. Bu özellikleri sayesinde söz konusu antenlerin, İHA (İnsansız Hava Aracı) veya benzeri hava platformlarında kullanılabilecekleri değerlendirilmektedir.

Abstract:
Large bandwidth requirements brought up by the recent advances in satellite and wireless communications increased the popularity of designing antennas that are capable of operating with large bandwidths. Currently, there is a growing demand in obtaining wideband high data rate for beyond-line-of-sight (BLOS) communications on mobile platforms. This demand emphasizes Ultra Wideband (UWB) technology, which is one of the terms used to indicate high bandwidth usage. It is used in designing of antennas that are capable of operating within %20 of their center frequencies or having bandwidth of at least 500 MHz.  The airborne and satellite systems implementing UWB technology should also satisfy other requirements, such as aerodynamic compatibility, small dimensions, being lightweight and having small profiles. In this case one can say that for airborne and satellite platforms there is an emerging need of designing antennas having both wide bandwidth and low dimensions.  
MSAs are very popular in many airborne and space research activities with their features like low weight and low fabrication costs. In order to reach these three objectives, Tapered Slot Antennas (TSAs) are one of the best options. TSAs have wide bandwidths and they are lightweight, which make them good candidates for airborne and space applications. Besides, manufacturing process for TSA is practical and cheap. TSAs are very advantageous, because they can be manufactured simultaneously with the manufacturing  process of antenna feeds, compatible with integrated circuits. Also, they have great potential due to their symmetrical radiation patterns, satisfactory gain levels and adequate polarization levels, in addition to their wide bandwidths.
The distinctive features of TSAs are their slots which form the radiating regions and the gradual increase of their slot openings when going away from the feed point. The tapering profile of the radiating edge determines the type of the TSA. In the studies that are done so far, tapering profile for various TSAs have been investigated, return losses and radiation patterns are measured. Today, the effects of taper profile on antenna performance is one of the important topics that is still under investigation. Since the early designs of TSAs, the importance on bandwidth of the transition from microstrip to slotline has been known. To improve the bandwidth of these kind of transitions, various techniques, such as using balun transitions, circular stubs and radial stubs were applied. Even today, transition from microstrip to slotline is important and should be taken into account in TSA designs.
Benefiting from optimization algorithms to determine electrical and physical parameters of MSAs has been proven to be effective. However, the researches containing an optimization algorithm for TSA design are very limited in literature. Although the importance of TSA is well understood, no research work has been detected containing an optimization algorithm for design of TSAs for a specific frequency band. Therefore, to fill this gap, a meta-heuristic optimization algorithm is utilized to design receiver TSAs for X-Band SATCOM that are capable of operating in 7250 -- 7750 MHz frequency band. By improving the antenna performances, an UWB antenna that is capable of operating with 500 MHz bandwidth is aimed. Since, the designed TSAs are expected to be used on airborne and space platforms, improvements in terms of weight and surface area are aimed by reducing the dimensions of the antennas.
For this purpose, three tapering profiles are investigated. One of these is the dual exponentially tapered profile, which already exists in literature. By inspiring from this profile, two new profiles are proposed, which are dual linear and dual circular tapering profiles. Among these, the two profiles other than the dual linear tapering variations are developed, both with and without microstripline extensions, making a total of five antenna types. 
All the antennas and tapering profiles are defined in three parameters, which are a, b, w. The optimum values for each parameter are calculated using Genetic Algorithm tool in High Frequency Simulator Software (HFSS).
As a result, majority of the antennas cover the whole desired frequency band, and the remaining antennas cover important portion of the 7250 -- 7750 MHz range. Additionally, parameters such as return loss performance, efficiency and gain are either improved or show agreement with other studies in literature. By this thesis work, two new profiles, which are Dual Linearly Tapering and Dual Circularly Tapering, have been introduced to the literature, in addition to existing Dual Exponential Tapering profile. Also, for transition from microstripline to slotline a new technique has been brought up by utilizing semi-annular stubs on both sides of the SMA connectors. 
The manufactured antennas are considerably smaller, lighter and much more cheaper than conventional SATCOM receiver antennas. Because of their small dimensions and their being lightweight, these antennas can be used in UAVs or other airborne platforms.