Yüksek veri hızlı ka-bant uydu haberleşmesi için yansıtıcı dizi anten tasarımı
Multi-beam reflect array design for ka-band satellite communication
Yazar: AHMET HULUSİ GÜLSEREN
Danışman: PROF. DR. NURHAN TÜRKER TOKAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ AYTAÇ ALPARSLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: 5G = Five-Generation Wireless Telephone Technology

Özet:
Uydu ve uzay iletişim teknolojileri, yüksek veri hızına sahip 5G/6G sistemlerindeki talebi karşılamada kritik bir rol oynamaktadır. Bu tez çalışmasında yüksek veri hızlı 5G/6G uydularında kullanılmak üzere 3 farklı yansıtıcı dizi anten önerilmiştir. 
İlk çalışmada Ka-Bant alma   frekansında çalışan 5G uyduları için çift polarize yansıtıcı dizi anten tasarımı paylaşılmıştır. Bu çalışmada yeni bir birim hücre önerilmiştir. Merkezden beslemeli durum için yapılan tasarımda ϕ=90° düzleminde θ=20°'ye hem TE hem de TM modu için yönlendirmenin olduğu ve yansıtıcı antenin çift polarize olarak çalıştığı görülmüştür. Bu çalışmanın devamında aynı birim hücre kullanılarak blokaj etkisinden kaçınmak için eksen dışı beslemeli, çift polarize yansıtıcı dizi anten tasarımı yapılmış ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Önerilen yansıtıcı anten, 18-20 GHz aralığında çift polarizasyonlu çoklu hüzmeleri kararlı bir kazanç davranışı ile desteklemeyi mümkün kılmıştır.
İkinci çalışmada ise Ka-Bant yüksek hızlı uydu sistemlerinde kullanılması için geleneksel kare mikroşerit birim hücreler kullanılarak 24/30 GHz frekansında çalışan çok huzmeli çift polarize Frekans Seçici Yüzey (FSY) destekli yansıtıcı dizi anten tasarlanmıştır. Eş zamanlı olarak 24/30 GHz için ϕ=0° düzleminde θ=20° ye ışıma yapacak şekilde tasarlanan bu yapıda elemanlar arasındaki karşılıklı kuplaj etkisini azaltmak ve frekans bantları arasında izolasyon sağlamak için çift ekranlı FSY kullanılmıştır. 
Son çalışmada 20/30 GHz eş zamanlı çalışan, 5G yüksek hızlı uydular için çift-bantlı, çift-polarizasyonlu FSY destekli yansıtıcı dizi anten tasarımı yapılmıştır. Ara katmanda yer alan FSY yapısı üst katmanda yer alan yansıtıcı yüzey toprak düzlemi işlevi görürken her iki frekans için de filtreleme işlemi yapmaktadır.  Tasarım sonuçları tam dalga analiz ve dizi teorisi yöntemleri ile elde edilmiştir. Elde edilen analiz sonuçlarının deneysel sonuçlarla örtüştüğü gözlemlenmiştir.  Hedeflenen tasarımın kompakt bir yapıdadır ve çalıştığı her iki frekansta 20 dB üzerinde anten kazancı elde edilmiştir. Simülasyon ve ölçüm sonuçları, önerilen yansıtıcı dizinin yüksek hızlı Ka-bant uydular için uygun olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Satellite and space communication technologies play a critical role in meeting the demand for high data rate 5G/6G systems. In this thesis study, 3 different reflectarray antennas are proposed for use in high data rate 5G/6G satellites.
In the first study, a dual polarized reflectarray antenna design for 5G satellites operating at Ka-Band downlink frequency is shared. In this study, a new unit cell is proposed. In the design made for the center-fed case, it is seen that there is a directivity in the ϕ=90° plane to θ=20° for both TE and TM modes, and the reflector antenna operated as dual polarized. In the continuation of this study, an off-axis fed, dual-polarized reflectarray antenna is designed and produced to avoid the blocking effect using the same unit cell. The proposed reflector antenna made it possible to support dual polarization multiple beams in the range of 18-20 GHz with a stable gain behavior.
In the second study, a multi-beam dual-polarized Frequency Selective Surface (FSS) supported reflectarray antenna operating at 24/30 GHz is designed using traditional square microstrip unit cells for use in Ka-Band high-speed satellite systems. In this structure, which is designed to simultaneously radiate to θ=20° in the ϕ=0° plane for 24/30 GHz, a double-screen FSS is used to reduce the mutual coupling effect between the elements and to provide isolation between frequency bands.
In the last study, a dual-band, dual-polarization FSS-supported reflectarray antenna design is designed for 5G high-speed satellites operating simultaneously at 20/30 GHz. The FSS structure located in the intermediate layer performs filtering for both frequencies while the reflective surface in the upper layer functions as the ground plane. Design results are obtained by full wave analysis and array theory methods. It is observed that the analysis results obtained coincide with the experimental results. The targeted design has a compact structure and an antenna gain of over 20 dB is achieved at both frequencies it operates. Simulation and measurement results show that the proposed reflectarray is suitable for high-speed Ka-band satellites.