Analitik regülarizasyon methodu optimizasyonu ile milimetrik dalga faz dizisi beslemeli geniş bant parabolik anten tasarımı
Milimetric wave phase array fed wideband parabolic antenna design with analytical regularization method optimization
Yazar: MEHMET AKİF TULUM
Danışman: PROF. DR. AHMET SERDAR TÜRK ; PROF. DR. PEYMAN MAHOUTİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten dizileri = Antenna arrays ; Elektronik haberleşme = Electronic communication ; Parabolik anten = Parabolic antenna ; Yapay zeka = Artificial intelligence

Özet:
Gelişen günümüz teknolojisinde, geniş bantlı, yüksek kazançlı ve faz dizili anten sistemlerinin sivil ve askeri alanda kullanımı giderek artmıştır. Bu tür anten yapıların kullanım alanına bağlı olarak performansı ve tasarım sürelerinin azaltılması kritik öneme sahiptir.
Bu çalışmada, ana odaklı parabolik yansıtıcının faz kaydırmalı dizi bir anten beslemesi ile geniş bir yelpazede huzmenin verimli bir şekilde dönebilmesi ve birden çok noktayı aydınlatabilen bir anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Yöntem olarak, yapay sinir ağları algoritmasını kullanılarak 4 elemanlı faz dizili besleme anten yapısı optimize edilmiş ve bu sayede radar teknolojilerinde kritik öneme sahip huzme döndürme süreci önden tahmin edilebilir olmuştur. Böylece, birim antenlere uygulaması gereken faz değerleri herhangi bir harici sensöre ihtiyaç duymadan önden kestirilebilir olmuştur. Besleme yapısı, harici olarak tipik 3B EM tasarım programı üzerinden de tasarlanmış olup, YSA ile elde edilen sonuçlar ve uzak alan ölçüm sonuçları ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.  Süre olarak YSA ile optimize edilmiş anten yapısı çok büyük avantaja sahip olmuştur.
Ayrıca, parabolik şekle sahip mükemmel iletken E-kutuplu dalganın çözümü için 2.5D analitik regülarizasyon metodu (ARM) optimize edilerek geliştirilmiştir. 2.5 boyutta ARM yöntemi düşey eksende dilimleme yöntemini kullanarak çözüm sağlıyordu. Bundan dolayı, düşey eksende akım dağılımlarına bağlı kuplaj hesaplaması yapıldığından sonuçlar moment metoduna yakınsanmaktadır. Fakat, yatay eksende benzetim süresinin uzamaması açısında kuplajlar hesaplanmadığından sonuçlar optik metoduna yakınsanmaktadır. Yatay eksende hesaplanmayan kuplaj etkisini öngörmek için düşeyde hesaplanan dilimlerden kestirim algoritması oluşturarak akım dağılımı optimize edilmiştir. Dolayısıyla, yan lob seviyeleri moment metoduna daha iyi yakınsamıştır. 
Bu tez sayesinde YSA ile optimize edilmiş ve huzme yönlendirme işlemi tahmin edilebilir olan faz dizili anten yapısı, yansıtıcı geometrisine besleme olarak kullanılması planlanmış ve 2.5 boyutlu optimize edilmiş ARM metodu kullanılarak tipik 3B EM simülasyon programına nazaran çok daha uzun süren sayısal hesap süresi kısaltılmıştır. Böylece, 5G teknolojisi, uydu haberleşmesi, radar sistemleri, direk yayın uydusu ve radyo astronomisi gibi uygulamalarda kullanılan faz dizili anten beslemeli yansıtıcı anten teknoloji daha hızlı benzetimi gerçekleştirilebilir hale gelmiştir.
Tez kapsamında son olarak, yapay sinir ağları ile elde edilmiş 4 farklı durumdaki faz dizili beslemeli yansıtıcı anten çıktısı ARM metotlu benzetimi, tipik 3B EM benzetimi ve uzak alan ölçüm yöntemi sonucu ile karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Abstract:
In today's advancing technology, the use of broadband, high-gain, and phased array antenna systems in civilian and military applications has gradually increased. Reducing the performance and design times of such antenna structures is critical depending on their usage areas.
In this study, an antenna design capable of efficiently rotating the beam over a wide range and illuminating multiple points with a phase-shifted array antenna feed of the main focus parabolic reflector has been realized. As a method, the 4-element phased array feed antenna structure was optimized using the artificial neural network (ANN) algorithm, making the beam rotation process, which is critically important in radar technologies, predictable. Thus, the phase values that need to be applied to the unit antennas can be predicted without the need for any external sensors. The feed structure was also designed externally through a typical 3D EM design program and evaluated comparatively with the results obtained by ANN and far-field measurement results. The antenna structure optimized with ANN has a significant advantage in terms of time.
Additionally, the 2.5D analytical regularization method (ARM) was optimized and developed for the solution of the perfectly conductive E-polarized wave with a parabolic shape. In 2.5 dimensions, the ARM method provided a solution using the slicing method on the vertical axis. Therefore, since coupling calculations are made based on current distributions on the vertical axis, the results converge to the moment method. However, since the couplings are not calculated to avoid increasing the simulation time on the horizontal axis, the results converge to the optical method. To predict the coupling effect that was not calculated on the horizontal axis, the current distribution was optimized by creating a prediction algorithm from slices calculated on the vertical axis. Therefore, sidelobe levels converge better with the moment method.
Thanks to this thesis, the phased array antenna structure optimized with ANN and with predictable beam steering is planned to be used as a feed to the reflector geometry. By using the 2.5-dimensional optimized ARM method, the numerical calculation time, which takes much longer compared to the typical 3D EM simulation program, has been shortened. Thus, faster simulation of phased array antenna-fed reflector antenna technology used in applications such as 5G technology, satellite communications, radar systems, direct broadcast satellite, and radio astronomy has become possible.
Finally, within the scope of the thesis, phased array-fed reflector antenna outputs in four different situations obtained with artificial neural networks are presented in comparison with ARM method simulation, typical 3D EM simulation, and far-field measurement method results.