6N yüksek irtifa platform sistemleri için antipodal vivaldi anten tasarımı
Antipodal vivaldi antenna design for 6G high altitude platform system (HAPS)
Yazar: ALİ ALPEREN KILIÇ
Danışman: PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüz haberleşme teknolojilerinde gelişmeler son hızda devam etmektedir. Yaklaşık on senede bir açıklanan haberleşme teknolojisi nesillerinin aktif olarak en yenisi 5. Nesil (5N) haberleşmedir. 2019 yılında çeşitli ülkelerde hizmet vermeye başlayan 5N'de bir önceki haberleşme nesli olan 4N'ye nazaran daha yüksek veri hızları, daha büyük trafik kapasitesi, daha yüksek spektrum verimliliği ve daha düşük gecikme süresi elde edilmiştir. Ancak tüm bu gelişmelere rağmen 5N çıkış yaptığı ilk dönemde vadettiği bazı konseptlerde yeterli performansı gösterememektedir.  Araştırmacılar bazı bölgelerde 5N ağ kurulumu ve dağıtımı devam ederken 6. Nesil (6N) ağları için birtakım çalışmalara başlamışlardır. Yapılan çalışmalarda ana hedef 5N'de görülen eksikliklerin 6N döneminde giderilmesidir. Henüz başlangıç aşamasında sayılabilecek bu çalışmalarda "her zaman ve her yerde bağlantı" parolasının sağlanması amaçtır. Bu bağlamda uzay ağı, hava ağı ve karasal ağın başarılı entegrasyonuyla ortaya çıkması planlanan Dikey Heterojen Ağ (VHetNet) çerçevesi işlenmektedir. VHetNet yapısında son derece yüksek veri hızı, küresel kablosuz kapsama alanı ve mobilitenin sağlanacağı düşünülmektedir. Hava ağı katmanı, bahsi geçen performans gereksinimlerini gerçekleştirmek için çok kritik bir role sahiptir. Hem uzay ağına hem de karasal ağa arayüzü bulunan bu katman, her iki katmanın entegre çalışabilmesini sağlama yeteneğine sahiptir. Hava ağı katmanında insansız hava aracı (İHA) ve Yüksek İrtifa Platform Sistemi (YİPS) yapılarının birlikte görev alması beklenmektedir. YİPS, VHetNet yapısı içerisinde bulunan karasal ağdaki kullanıcılar ile uzay katmanında bulunan uydular arasında bağlantı kurmada görev alabilecektir. Stratosfer katmanında görev yapacak olan YİPS, karasal ağ ve uzay ağı ile kuracak olduğu veri bağlarında, bulunduğu ortam koşullarının avantajlarını kullanarak oldukça verimli sonuçlar elde edebilecektir. Ayrıca YİPS karasal ağlara ve uydu ağlarına olan bağımlılığın da azalmasında rol oynayabilecektir. Bunların yanında, YİPS kapsamında süren araştırmalar sayesinde Stratosfer katmanının haberleşme sektöründeki kullanımının irdelenmesi konusunda gelişmeler yaşanması beklenmektedir. Enerji sistemlerinde, anten sistemlerinde ve haberleşme ağlarında gerçekleşen ilerlemelerin ışığında 2030'larda YİPS'in VHetNet yapısı içerisinde aktif rol oynaması beklenmektedir. Geniş operasyonel bantları ve yüksek kazançları ile yüksek frekans bölgelerinde de hizmet vermesi beklenen YİPS'in hem İHA hem de mevcut LEO uygulamalarına göre birtakım avantajlara sahip olması beklenmektedir. LEO uydularına göre avantajlarının en temel nedenlerinden birisi yeryüzüne daha yakın konumlarıdır. Bu sayede daha düşük yol kaybı ve gecikme süreleri elde edilecek olup link bütçeleri daha uygun hale gelebilecektir. YİPS, daha maliyetli olmasına rağmen kapasite ve kapsama alanı bakımından İHA yapısından çok daha güçlü olacaktır. Ayrıca İHA birimlerine nazaran çok daha büyük boyutta olması planlandığı için yüzeyinde fazla sayıda güneş paneli bulundurma avantajı sayesinde enerji sorunlarının çözümünde cevapsız kalmayacaktır. YİPS hibrit model bir ağ iletişimi vadetmektedir. VHetNet içerisinde röle görevinde kullanılabileceği gibi Süper Makro Baz İstasyonu (YİPS-SMBİ) olarak da görev alabilir. Bu tanımlama yapılırken geniş kapsama alanı, büyük kapasite ve güçlü veri toplama özellikleri etkili olmuştur. YİPS-SMBİ, kapasite ve kapsama alanında yaşanılacak acil sorunlarda karasal ağlara yardım amacıyla kullanılabileceği gibi IoT uygulamalarının daha verimli hale getirebilecek bir baz istasyonu olarak kullanılabilecektir. YİPS-SMBİ için öngörülen diğer uygulamalar ise hava ağında yer alacak bir veri merkezi olarak görev alabilecek ve akıllı şehir uygulamaları çerçevesinde otonom trafik yapısına katkıda bulunabilecek olmasıdır. YİPS'in uyumlu ve güvenli çalışabilmesi için havacılık sektöründeki düzenlemelere tabi tutulması gerekmektedir. Sıklıkla 17-18 km irtifalarına konuşlandırılacağı planlanan YİPS için ülkeler kendi hava sahalarının maksimum irtifalarını belirlemektedir ve bu değer genellikle 20 km olarak açıklanmaktadır. HAPS Alliance konsosiyumu dünya genelinde etkin bir YİPS ekosistemi oluşturabilmek için faaliyetlerini sürdürmektedir. YİPS çerçevesinde düzenleme faaliyetleri ise genellikle Uluslararası Telekomünikasyon Birliği-Radyokomünikasyon Sektörü (ITU-R) ve Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü (ICAO) tarafından belirlenmektedir. Spektrum dağılımları konusunda gerekli düzenlemeyi ITU-R üstlenirken, güvenlik ve sivil havacılık ile alakalı düzenlemeler ise ICAO'nun görevidir. ICAO iki farklı YİPS sınıfı olduğunu belirtir ve bu YİPS türlerini tanımlar. ITU ise çeşitli raporlar vasıtasıyla YİPS çerçevesinde yaptığı çalışmaları ortaya koymaktadır. Kuzey ve Güney Amerika ile Grönland'ı da içeren ITU Bölge 2'yi (Region 2) kapsayan raporlarda belirli frekans aralıkları YİPS kullanımı için duyurulmuş olup yerden YİPS'e yukarı bağlantı ve YİPS'ten yere aşağı bağlantının bant genişliği gereksinimlerini ifade etmiştir. ITU Bölge 2 için YİPS frekans bantları 21.4-22 GHz ve 24.25-27.5 GHz olarak açıklanmıştır. Gerekli bant genişliği değerleri ise yukarı bağlantı için 396-2969 MHz, aşağı bağlantı için 324-1505 MHz olarak belirlenmiştir. Bu frekans bantları haricinde K, S, C, K, Ka ve V bantlarında da YİPS kullanımı adına ayrılmış frekans bantları mevcuttur. Antenler kablosuz haberleşme sistemlerinin en önemli yapı taşlarındandır. Verilerin uzak mesafelere iletilmesi ve alınması adına geçmişten günümüze ihtiyaç duyulan antenler, gelişen haberleşme teknolojileri ile değişen gereksinimlere ayak uydurmak için farklı şekillerde tasarlanmaktadır. Amaca uygun farklı yapılara sahip antenler, 6N kablosuz haberleşme çerçevesinde de önemli bir konumda yer alacaktır. 1979 yılında kullanılmaya başlayan Vivaldi anten, geniş bir çalışma bandının yanında sağladığı yüksek yönlülük ve kazanç değerleri ile farklı uygulamalarda görev almaktadır. Daha geniş bantlarda hizmet verebilme, Vivaldi antenin zayıf noktası olarak gözüken besleme yapısını basitleştirme ve daha fazla bant genişliği elde edebilme amacıyla 1988 yılında antipodal Vivaldi anten (AVA) yapısı tanıtılmıştır. AVA geleneksel Vivaldi antene nazaran daha kompakt bir profil haricinde besleme yapısında daha düşük yansımaya sahiptir. Ayrıca ufak yapısı ve hafifliği sayesinde devre kartlara kolaylıkla entegre edilebilen AVA, yüksek verimlilik ve kazanca sahip geniş bantlı bir anten türü olarak literatürde yerini almıştır. 6N döneminde VHetNet yapısı içerisinde görev alacak YİPS'in taşıyacağı faydalı yüklerden biri de şüphesiz antenler olacaktır. YİPS içinde görev alacak antenler için antipodal Vivaldi anten aday gösterilebilir. Çünkü AVA, YİPS'in görev alacağı stratosferik ortam koşullarında yüksek yönlülük ve yüksek kazanç özellikleri sayesinde geniş frekans bantlarında çalışabilir. Bunun yanında kompakt yapıları sayesinde hafiflik ve boyut gereksinimlerine cevap verebilmesinin yanında, kolaylıkla dizi anten yapısına çevrilebilecekleri için dar ışıma hüzmesi istenen 6N uygulamalarına kolaylıkla uyarlanabilir. Bu çalışmada, 6N haberleşme teknolojilerinde aktif olması beklenen VHetNet yapısı içerisinde hava ağı katmanında hizmet vermesi planlanan YİPS'te görev alabilecek AVA tasarlanmıştır. Antenin çalışma frekansları ITU Bölge 2'de YİPS kullanımı için açıklanan 21.4-22 GHz ve 24.25-27.5 GHz olarak seçilmiştir. Tasarıma ilk olarak tekil yapıda başlanmış olup en başarılı tekil AVA elde edilirken gerçekleştirilen tasarım hamleleri açıklanmıştır. Sonrasında, en iyi performansa sahip tekil anten birim eleman olarak kullanılmış ve dizi AVA haline getirilmiştir. Dizi anten yapısı ilk olarak iki elemanlı (1x2), sonrasında ise dört elemanlı (1x4) olacak şekilde oluşturulmuştur. Dizi yapıları oluşturulurken tasarlanan besleme yapısı hakkında detaylar sunulmuştur. Son olarak yönlülük, kazanç ve dar ışıma hüzmesi parametrelerinde en iyi sonucun elde edildiği 1x4 dizi AVA ürettirilmiştir. Üretim sonrasında bazı performans testleri gerçekleştirilmiş olup test sonuçları benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Developments and changes in today's communication technologies continue at full speed. 5th Generation (5G) is actively the newest of the communication technology generations that are announced approximately every ten years. 5G, which started to serve in various countries in 2019, achieved higher data speeds, larger traffic capacity, higher spectrum efficiency and lower latency compared to 4G, the previous communication generation. In addition, while previous communication generations took simple measures such as increasing the number of base stations to solve the problems caused by the increase in network traffic, in 5G, multiple input multiple output (MIMO) technology was used. However, despite all these developments, 5G cannot show sufficient performance in some of the concepts it promised in the first period of its release. For example, although the Internet of Things (IoT) brings several advantages compared to previous generations, the expected progress in the smart city concept planned within the framework of the Internet of Everything (IoE) has not yet been achieved. Moreover, although more than half of the global population has internet access, the need for high-bandwidth telecommunications services continues in rural and isolated areas. While 5G network installation and distribution continues in some regions, researchers have started some studies for 6th Generation (6G) communication technologies. The main goal of the studies is to eliminate the deficiencies seen in the 5G period. Another aim of these studies, which can still be considered at the initial stage, is to provide the password of "connection anytime and anywhere". In this context, The Vertical Heterogeneous Network (VHetNet) framework, which is planned to emerge with the successful integration of the space network, aerial network, and terrestrial network, is being discussed. It is thought that extremely high data speed, global wireless coverage and mobility will be provided in the VHetNet structure. The aerial network layer, which is a member of the three-layer structure created for this purpose, has a very critical role in achieving the mentioned performance requirements. This layer, which has an interface to both the space network and the terrestrial network, could ensure that both layers work integratedly. It is expected that unmanned aerial vehicle (UAV) and High Altitude Platform System (HAPS) structures will work together in the aerial network layer. Some studies in which unmanned aerial vehicles are integrated within the 5G structure have become a trend recently. In these studies, the main goals are to reach areas that need telecommunication services and to provide an uninterrupted connection.   
With its mobile structures and easy-to-charge structures, UAV will continue to take part in various areas within the 6G VHetNet structure. However, UAV network units may have difficulties in meeting high capacity and energy requirements. In order to meet these two requirements, HAPS will be able to carry more payload due to its large size and will be able to effectively benefit from solar energy at the altitudes where it will operate. In addition, HAPS will be able to take part in establishing a connection between the users in the terrestrial network within the VHetNet structure and the satellites in the space network layer. The International Telecommunication Union (ITU) defines HAPS as a station operating on an object at an altitude of 20-50 km. HAPS, which will operate in the stratospheric layer (in the data links it will establish with the terrestrial network and space network), will be able to obtain efficient results by using the advantages of stratospheric conditions. In addition, HAPS may play a role in reducing the dependence on terrestrial networks and satellite networks. Due to ongoing research within the scope of HAPS, developments are expected to be made in examining the use of the Stratosphere layer in the communication sector. In fact, HAPS has become a popular subject of many studies since the late 1990s, but despite the advantages it promises, it has remained limited in its application area. Nevertheless, with the advances in energy systems, antenna systems and communication networks, it is expected that HAPS will play an active role in the aerial network layer within the VHetNet structure in the 2030s. 
HAPS, which is expected to serve in high frequency regions with its wide operational bands and high gains, is expected to have some advantages over both UAV and LEO applications. One of the most basic advantages over LEO satellites is, (due to their location close to the earth) they will bring a lower path loss and a higher signal-to-noise ratio (SNR). Because of this feature, it will be able to provide service with more affordable link budgets. In addition, HAPS could compensate for the negative effects caused by high mobility, which is seen as one of the biggest challenges of LEO applications. In this context, YİPS will have advantages in matters such as satellite passes and Doppler shift, thanks to its almost geostationary positioning. With another advantage of their location relative to the Earth, it is predicted that HAPS will have a delay time of around 0.13-0.33 ms. Although HAPS is more costly, it will be much stronger than the UAV structure in terms of capacity and coverage area. Moreover, since it is planned to be much larger in size than UAV units, it will not remain unanswered in solving energy problems, because of the advantage of having many solar panels on its surface. 
HAPS promises a hybrid model network communication. While it can be used as a relay within VHetNet, it can also serve as a Super Macro Base Station (HAPS-SMBS). Wide coverage area, large capacity and powerful data collection features were effective in making this definition. HAPS, which is thought to provide communication services within a radius of 60 km, can be used to assist terrestrial networks in case of urgent problems in capacity and coverage. In addition, the HAPS-SMBS structure will be able to serve as a base station that can make IoT applications more efficient and convenient. In another prediction, HAPS-SMBS, which will continue its operations between LEO satellites and terrestrial networks, will have the capacity to handle the need for users to communicate directly with LEO satellites. Another application foreseen for HAPS-SMBS is that it can serve as a data center in the aerial network. The reason why this application is recommended is that the average temperature in the stratospheric environment is -15°C to -50°C. Because of that, HAPS-SMBS is in an advantageous position in terms of cooling, which is considered one of the most important requirements of data centers. In addition, it is estimated that the HAPS-SMBS structure can take part in autonomous vehicles within the framework of smart city applications. The design difficulties caused by the need for autonomous vehicles to communicate with both their drivers and each other can be alleviated with the role of HAPS-SMBI in the offloading process. 
For HAPS to operate harmoniously and safety, it is mandatory that it be subject to regulations in the aviation industry. Countries determine the maximum altitude of their airspace for HAPS, which is planned to be deployed frequently at altitudes of 17-18 km, and this value is generally announced as 20 km. HAPS Alliance continues its activities to create an effective HAPS ecosystem worldwide. Considering these studies, commercial breakthroughs of HAPS technologies are expected to accelerate. Regulatory activities within the framework of HAPS are generally determined by ITU Radiocommunication Sector (ITU-R) and the International Civil Aviation Organization (ICAO). While ITU-R undertakes the necessary regulation regarding spectrum distribution, regulations related to security and civil aviation are the duty of ICAO. ICAO states that there are two different classes of HAPS. While one of these classes is defined as a non-powered, balloon-type aircraft; The other is defined as an unmanned aerial vehicle intended to fly without a pilot. The most obvious difference between these two classes is that balloon-type aircraft are excluded from real-time management. On the other hand, ITU has revealed its work within the framework of HAPS through various reports. In reports covering the ITU Region 2, certain frequency ranges are announced for the use of HAPS and express the bandwidth requirements of uplinks from the ground to the HAPS and downlinks from the HAPS to the ground. HAPS frequency bands for the ITU Region 2 are announced as 21.4-22 GHz and 24.25-27.5 GHz. The required bandwidth values are determined as 396-2969 MHz for the uplink and 324-1505 MHz for the downlink. Apart from these frequency bands, there are also frequency bands reserved for HAPS use in the K, S, C, K, Ka, and V bands.  
Antennas are one of the most important parts of wireless communication systems. Antennas, which have been needed from past to present to transmit and receive data over long distances, are designed in different ways to keep up with the changing requirements with developing communication technologies. Antennas with different structures suitable for the purpose will also have an important position within the framework of 6G wireless communication. Introduced by Gibson in 1979, the Vivaldi antenna serves in different applications with its high directivity value as well as a wide operating band. Additionally, the Vivaldi antenna has the advantages of easy fabrication and integration. In 1988, the antipodal Vivaldi antenna (AVA) structure was introduced by Gazit to operate in wider bands and to simplify the feed structure, which seems to be the weak point of the Vivaldi antenna. AVA has a more compact profile compared to the traditional Vivaldi antenna, as well as lower reflection in the feed structure. In addition, AVA, which can be easily integrated into circuit boards since its small structure and lightness, has taken its place in the literature as a broadband antenna type with high efficiency and gain. 
One of the useful loads to be carried by HAPS, which will operate within the VHetNet structure in the 6G period, will undoubtedly be antennas. Antipodal Vivaldi antenna can be nominated for the antenna that will work in HAPS. Because AVA can operate in wide frequency bands since its high directivity and high gain features in stratospheric environmental conditions. In addition, due to their compact structure, they can be easily converted into an array antenna structure and can be easily adapted to 6G applications where narrow radiation beams are required.
In this study, the AVA was designed that could operate in HAPS, which is planned to work in the aerial network layer within the VHetNet structure, which is expected to be active in 6G communication technologies. The operating frequencies of the antenna were selected as 21.4-22 GHz and 24.25-27.5 GHz, which are declared for HAPS use in the ITU Region 2. The design first started with a singular structure. The design improvements made to obtain the most successful single AVA are explained. Afterwards, the single antenna with the best performance was used as the unit element and the array was converted into AVA. The array antenna structure was first created with two elements (1x2) and then with four elements (1x4). Details about the feed structure, while creating the array structures, are presented. Finally, 1x4 array AVA was produced, which achieved the best results in directivity, gain, and narrow beam parameters. Some performance tests performed after production and the test results were compared with simulation results.