Faz dizili uygulamaları için 2-18 GHz vektör modülatör tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and realization of a 2-18 GHz vector modulator for phased array applications
Yazar: AHMET HASTÜRK
Danışman: PROF. DR. NURSEL AKÇAM
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde radar ve Elektronik Harp (EH) sistemlerinin büyük çoğunluğu faz dizili mimari kullanılarak geliştirilmektedir. Geleneksel mekanik olarak yönlendirilen sistemlerin aksine faz dizili bir sistemde anten hüzmesi elektronik olarak yönlendirilmektedir. Ek olarak, faz dizili sistemlerin aynı anda birden fazla hüzme oluşturma ve hızlı hüzme anahtarlama gibi avantajları bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, 9:1 bant genişliğinde çalışan, düşük rms faz ve genlik hatalarına sahip bir vektör modülatör tasarımı ele alınmıştır. Sunulan vektör modülatör sayesinde, aktif faz dizili bir sistemde hüzme yönlendirme için gerekli faz ve genlik ayarları eş zamanlı yapılabilmektedir. Çalışma kapsamında; tasarlanan devrenin lineer ve elektromanyetik benzetimleri AWR ortamında yapılarak prototip vektör modülatör devresinin baskı devre kartı üretimi gerçekleştirilmiş, detaylı ölçümler alınarak karakterize edilmiştir. Ortaya koyulan vektör modülatör, var olan yaklaşımlardan farklı olarak anahtarlanabilir balun temelli iki fazlı modülatör topolojisi ile muadillerinden ayrılarak küçük boyutlarda geniş bantlı kullanıma imkân sağlamaktadır. Tasarlanan vektör modülatör, 6-bit 360° faz kaydırma fonksiyonunun yanında 6-bit 31,5 dB genlik zayıflatma kabiliyetine de sahiptir. Bu sayede, özellikle radar sistemlerinde tercih edilen yan kulakçık bastırma işlevinin ilave bir zayıflatıcı kullanılmasına gerek olmadan yerine getirilebilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, devrenin tamamen pasif Radyo Frekans (RF) malzemeler kullanılarak tasarlanması, tez kapsamında geliştirilen vektör modülatör devresinin hem alma hem de gönderme hüzme yönlendirme uygulamalarında kullanılabilmesini olanaklı hale getirmektedir.

Abstract:
Today, the vast majority of radar and Electronic Warfare (EW) systems are developed using phased array architecture. Unlike conventional mechanically steered systems in a phased array system, the antenna beam is electronically steered. Additionally, phased array systems have advantages such as simultaneous multiple beam generation and fast beam switching. In this thesis, a 9:1 bandwidth vector modulator with low rms phase and amplitude errors is discussed. The proposed vector modulator allows simultaneous phase and amplitude adjustment of each antenna element to steer the beam in an active phased array system. Within the scope of the study, linear and electromagnetic simulations of the designed circuit were performed in Applied Wave Research (AWR) environment, the prototype vector modulator Printed Circuit Board (PCB) was fabricated, detailed measurements were taken and characterized. Unlike existing approaches, the proposed vector modulator differs from its counterparts with its switchable balun-based bi-phase modulator topology, enabling broadband use in small sizes. The designed vector modulator has a 6-bit 360° phase shifting function as well as a 6-bit 31,5 dB amplitude attenuation capability. Thus, it is aimed to fulfill the side lobe suppression function, which is especially preferred in radar systems, without the need to use an additional attenuator. In addition, the design of the circuit using completely passive Radio Frequency (RF) components makes it possible to use the vector modulator circuit developed in this thesis in both receive and transmit beamforming applications.