S-bant telemetri frekansı uygulamaları için silindirik yüzeye uyumlu dizi anten tasarımı
Cylindrical surface compatible array antenna design for s-band telemetry frequency applications
Yazar: OZAN MANAV
Danışman: PROF. DR. NURSEL AKÇAM
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Mikroşerit antenler = Microstrip antennas

Özet:
Füze ve roket uygulamaları gibi test noktasında veri toplamanın mümkün olmadığı 
durumlarda telemetri sistemleri kullanılarak kablosuz haberleşme aracılığı ile test edilen 
birimden veriler alınarak analizler gerçekleştirilmektedir. Bahsedilen senaryoda kablosuz 
haberleşmenin sağlanması amacı ile test edilen birimin aerodinamik yapısını bozmayacak ve 
telemetri sistemleri için "IRIG Standart 106-04 Part 1" standardı tarafından tanımlanmış 
frekans bantlarında çalışabilecek anten tasarımlarının ortaya koyulması gerekmektedir. Bu 
çalışmada, füze ve roket gibi silindirik bir yüzeye sahip platformlardan uçuş esnasında 
kablosuz haberleşme ile veri toplanabilmesi amacı ile S-Bant telemetri frekansında çalışacak 
silindirik yüzeye uyumlu dikdörtgen mikroşerit yama dizi anten tasarımı ve üretimi 
yapılmıştır. İlk olarak birim ışıma elemanı boyutları teorik olarak hesaplanarak HFSS (High 
Frequency Structure Simulator) benzetim programı aracılığı ile modellenmiş ve analiz 
edilmiştir. Analiz esnasında mükemmel uyumlu tabaka (Perfectly Matched Layer - PML) 
sınır koşulları ve elektromanyetik olarak etkileşimli sınır koşulları (Master/Slave Boundary) 
kullanılarak birim ışıma elemanının dizi anten yapısı içerisinde maruz kalacağı girişimler 
hesaba katılmak istenmiştir. Hazırlanan simülasyon ortamında yapılan analizler sonucunda 
optimum birim ışıma elemanı boyutları belirlenerek dört elemanlı düzlemsel dizi anten 
yapısı CST (Computer Simulation Technology) benzetim programı aracılığı ile 
kurgulanmıştır. Tek bir besleme portu üzerinden sağlanan enerji, T-eklem güç bölücüler ve 
çeyrek dalga dönüştürücüler vasıtası ile birbirlerine göre 2,25 GHz merkez çalışma 
frekansında 0,75 λ mesafeye yerleştirilmiş birim ışıma elemanlarına iletilmektedir. İstenen 
anten parametrelerine ulaşılana kadar yapılan iyileştirme çalışmaları sonucunda elde edilen 
optimum düzlemsel dizi anten 128 mm çapındaki bir silindirik yüzeyi saracak şekilde 
bükülmüştür. Ortaya çıkan silindirik yüzeye uyumlu dizi anten yapısının çalışma merkez 
frekansında meydana gelen kaymayı düzeltmek için yeni yapı ile tekrar optimizasyon 
çalışmaları yapılmıştır. Beklenen değerlere ulaşılması sonrasında hem düzlemsel dizi anten 
hem de bükülmüş dizi anten üretimleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen antenlerin S11 yansıma 
katsayısı ve bant genişliği parametreleri ölçülerek analizler sonucunda bulunan değerler ile 
kıyaslanmıştır.

Abstract:
In cases where data collection at the test field is not feasible, such as in missile and rocket 
application, telemetry systems are employed to transmit data from the tested unit via wireless 
commuication, thereby facilitating subsequent analysis. In the scenario described, it is 
essential to design antennas that do not interfere with the aerodynamic integrity of the tested 
unit and that can operate within the frequency bands specified by the "IRIG Standard 106
04 Part 1" standard for telemetry systems, to enable wireless communication. This study 
presents the design and product of a rectangular microstrip patch array antenna, compatible 
with the cylindrical surface of platforms such as missile and rockets, for the purpose of data 
collection during flight via wireless communication. The antenna is designed to operate at 
the S-Band telemetry frequency. Initially, the dimesions of the radiating element were 
theoretically calculated and subsequently modeled and analyzed using the HFSS (High 
Frequency Structure Simulator) simulation software. During the analysis, PML (Perfectly 
Matched Layer)  boundary conditions and electromagnetically coupled boundary conditions 
were applied to account for the interferences that the radiating element would encounter 
within the array antenna configuration. Based on the analysis conducted in the preprepared 
simulation environment, the optimal dimensios of the radiating element were determined, 
and four elements planar array antenna structure was designed using the CST (Computer 
Simulation Technology) simulation software. The energy supplied through a single feed port 
is transmitted to the radiating elements, which are placed 0,75 λ apart from each other at a 
central operating frequency of 2,25 GHz, via T-junction power dividers and quarter wave 
transformers.  As a result of the iterative optimization process conducted to achieve the 
desired antenna parameters, the final planar array antenna was curved to conform to the 
surface of a cylindrical structure with a diameter of 128 mm.  To compensate for the 
frequency shift occuring at the operating central frequency of the array antenna structure 
adapted to the cylindrical surface, further optimization efforts were carried out with the new 
configuration. After the expected values were acquired, the fabrication of both planar and 
curved array antennas was performed. The S11 reflection coefficient and bandwidth 
parameters of the fabricated antennas were measured and compared with the values obtained 
from analyses.