Çoklu nesneli analitik regülarizasyon metodu geliştirilerek çok geniş bantlı yansıtıcı anten tasarımı
Ultra-wide band reflector antenna design by development of multiple object analytical regularization method
Yazar: AHMET KENAN KESKİN
Danışman: PROF. DR. AHMET SERDAR TÜRK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüz iletişim sistemlerinde, çok geniş bantlı ve kısa süreli darbe sinyallerinin sivil ve askeri haberleşme sistemlerinde kullanımları giderek artmaktadır. Bu tip işaretlerin bilgi kaybı ve sinyal deformasyonu olmaksızın uzun mesafelere iletiminde sistemde kullanılan antenin performansı oldukça önemlidir. 
Bu çalışmada, çok geniş frekans bandında yüksek kazanç ve verime sahip tekli ve çiftli yansıtıcı anten tasarımları yapılmıştır. Ayrıca, bu yansıtıcı antenleri beslemek için çeşitli besleyici yapıları da tasarlanmıştır. Böylece farklı frekans bantlarında çalışabilen, farklı boyut ve hacimlerde yansıtıcı anten yapıları oluşturulmuştur. Tasarlanan elektriksel olarak büyük yapıda olan antenlerin çok geniş bantta (ÇGB) ön analizleri için Analitik Regülarizasyon Metodu (ARM) ile yeni bir nümerik yaklaşım geliştirilmiştir.
Bu bağlamda, elektriksel olarak büyük ve birden fazla parça içeren antenlerin analizlerini yapmak amacıyla çok sayıda cisimlerden saçılmalar için 2 boyutlu Analitik Regülarizasyon Metodu geliştirilmiştir. Geliştirilen yöntem yansıtıcı anten yapılarının ÇGB analizleri için uygundur. 3 boyutlu benzetim programlarının uzun süreli işlemleri yerine, geliştirilen 2 boyutlu nümerik analiz ile elektriksel olarak büyük olan çift yansıtıcılı antenlerin ÇGB analizleri daha hızlı ve daha az hafıza ile yüksek doğruluklu olarak yapılabilecektir.
Tekli yansıtıcı yapısı olarak, Vivaldi ve ridged horn yapılarının birleşiminden oluşturulan TEM ridged horn anten (TEM-RHA) tarafından beslenen 0.4 GHz den 15 GHz'ye kadar çalışan 90 cm çapında ofset yanıstıcı anten tasarımı yapılmıştır. Yüksek kazançlı bu anten 35:1 band genişliği oranı ile darbe ışıması için uygun bir yapıdadır. Ayrıca, ridged horn ve TEM-RHA beslemeli 60 cm çapında onset yansıtıcı antenler daha üst frekans bantları için tasarlanmıştır. Onset yansıtıcı anten yapısı % 61 değerlerine varan oldukça başarılı bir verimlilik performansına sahiptir.   
Daha sonra, çok geniş bantlı uygulamalar için eksenel olarak yer değiştirmiş eliptik (EYE) alt yansıtıcıya sahip yenilikçi bir anahtarlanabilir çift yansıtıcılı anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan yüksek kazanca ve verime sahip çift yansıtıcılı antenin opsiyonel kullanılabilen iki çeşit beslemesi vardır. Bunlardan ilki K-Vivaldi antendir ve 33:1 oranında çalışma bantı genişliğine sahip olup 0.6 GHz'den 20 GHz'ye kadar çalışmaktadır ve impuls ışımasına uygundur. Bu beslemenin performansının arttırılması için kısmi dielektrik yüklemesi yapılmıştır. Kullanılan diğer besleme yapısı ise, çift ridged horn antendir. Tasarlanan çift yansıtıcı geometrisi ridged hornla beslendiğinde 1.6 GHz'den 20 GHz'ye kadar çalışmaktadır. Bu durumda bant genişliği 12:1 değerine düşmektedir, ancak antenin kazancı ve verimliliği önemli ölçüde artmaktadır. Kullanıcının gereksinimlerine göre bu iki beslemeden biri seçilebilmektedir. Tasarlanan çift yansıtıcılı anten yapısının, tekli yansıtıcı tasarımlarıyla karşılaştırıldığında hacim açısından önemli bir üstünlüğü vardır.
EYE çift yansıtıcılı antenler 2 boyutlu çoklu nesneli ARM ile geliştirilmiş ve 3 boyutlu benzetim programı kullanılarak daha iyi ışıma performası için parametrik olarak optimize edilmişlerdir. Tasarlanan antenler üretilmiş ve ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler ile benzetim sonuçları kıyaslandığında sonuçların birbirleriyle tutarlı oldukları gözlemlenmektedir.

Abstract:
In today's wireless technologies, the transmission of ultra-wideband and short-pulse signals are gaining importance for civilian and military systems. For these types of systems, ultra-wideband performance of the radiator is crucial for transmitting signals over long distances without distortion and loss of information. 
In this thesis, single and dual reflector antennas are designed to achieve high gain and efficiency for ultra-wideband operation and impulse radiation. Besides, various types of UWB feeders are also developed to operate at different frequency bands. For this aim, a new numerical approach of Analytical Regularization Method (ARM) is developed for UWB analysis of electrically large multiple part reflector antennas.
On this scope, the 2D Analytical Regularization Method for multiple objects scattering is newly introduced to simulate electrically large antennas which have multiple components. The developed method is convenient for UWB investigations of the reflector antennas. In order to refrain long simulation durations and high memory consumption at 3D EM simulators, this numerical method is proposed for fast and accurate pre-analysis of the antennas.
As a single reflector type, a 90 cm offset UWB reflector antenna is created using TEM ridged horn antenna (TEM-RHA) feeder, which is a combination of Vivaldi TEM horn and ridged horn, to operate between 0.4 GHz and 15 GHz. With an excellent bandwidth ratio of 35:1, the designed offset antenna is suitable for impulse radiation. Furthermore, a 60 cm of diameter onset reflector antenna is utilized with ridged horn for higher frequencies with broadband from 1.6 GHz up to 20 GHz. The onset reflector design is capable of superior efficiency performance up to 61% for UWB operation. 
As a double reflector type, a highly efficient switchable axially displaced elliptical (ADE) dual reflector antenna is designed as an innovation for UWB applications. Two types of feeder, which can be manually switchable, are developed for same dual reflector structure. The first feeder, K-Vivaldi antenna, is appropriate for impulse radiation with 33:1 bandwidth that operates from 0.6 GHz to 20 GHz. Additionally, K-Vivaldi feeder is loaded with a partial dielectric to enhance its gain performance at higher frequencies. The second one, double ridged horn antenna, feeds the dual reflector geometry to achieve higher gain and efficiency performances with 12:1 operational bandwidth, which corresponds to 1.6 GHz and 20 GHz. The proposed dual reflector antenna has significant volume advantage compared to the single reflector designs. 
ADE structures with various curve functions and different focuses are investigated for better radiation performance. The antennas are designed by developed 2D multiple object ARM and parametrically optimized by 3D EM simulator to succeed better perfomance and then, produced and measured. Finally, obtained measurement results are compared to each other, and they are observed compatible with simulations.