Sezgisel optimizasyon teknikleriyle X-bant radar dizi anten tasarımı
X-band radar antenna array design using heuristic optimization methods
Yazar: EMRE HANBAY
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA EMRE AYDEMİR
Milli Savunma Üniversitesi / Hezarfen Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüz asimetrik ve simetrik savaş ortamında muharebe sahasını şekillendirmek ve inisiyatifi ele geçirmek teknolojik üstünlüğü etkin bir şekilde kullanarak sağlanmaktadır. Bu yüzden özellikle askeri haberleşme ve radar sistemleri, elektronik harp sistemleri ve hedef tespit ve teşhis sistemleri gibi uygulama alanlarında birçok araştırmalar yapılmaktadır. Yoğun elektromanyetik girişimin ve sinyal kirliliğinin içerisinde gürültüden arındırılmış kaliteli sinyal elde etmek ve bu sinyali faydalı bilgiye dönüştürmek oldukça önemlidir. Bundan dolayı, elektromanyetik sistemlerin temel bileşenlerinden biri olan ve sinyal alıcı/verici birimi olarak ifade edilen anten tasarımları üzerinde yoğun bir şekilde çalışılmıştır. Özellikle geniş bant teknolojisinin avantajlarını kullanabilecek, istenilen yönde ve kazanç değerinde ışıma örüntüsüne sahip ve sistemin diğer birimlerine kolayca entegre olabilecek anten tasarımları gittikçe önem kazanmaktadır.
Baskı devre teknolojisiyle kolayca üretilebilen, düşük maliyetli ve hafif tasarımları gibi avantajları nedeni ile mikroşerit antenler ve dizi anten tasarımları askeri radar ve haberleşme sistemleri için önemli bir çalışma alanı olmuştur. İstenilen frekans bant aralığında çalışabilen, yüksek kazanç ve yönlülüğe sahip anten tasarımları için çeşitli optimizasyon teknikleri kullanılmaktadır. Özellikle elektromanyetik hesaplamalı programlarla matematiksel olarak modellenmesi zor olan çok değişkenli problemlere hızlı bir şekilde çözüm imkanı sunan sezgisel optimizasyon teknikleri oldukça ilgi çekmektedir.
Bu çalışmada, X-bant radar uygulamaları için kullanılmak üzere yüksek kazançlı ve düşük yan huzme seviyesinde mikroşerit yama anten ve özellikle insansız hava araçları üzerinde kolayca kullanılabilecek yapay açıklıklı radar uygulamaları için çok geniş bantlı, yüksek yönlülük ve kazançlı Vivaldi dizi anten tasarımları sunulmuştur. Her bir anten istenilen frekans aralığında çalışabilmesi için anten tasarım parametreleri genetik algoritmalarla optimize edilmiştir. Ayrıca genetik algoritmalar (GA) ile tasarlanan anten elemanları arasındaki mesafe ve akım uyarım genlikleri optimize edilerek antenin düşük yan huzme seviyelerinde istenilen ışıma örüntüsüne sahip olması sağlanmıştır.
Çalışmada tek olarak mikroşerit anten ve Vivaldi anten, dizi olarak ise doğrusal (8, 16, 32 ve 48 elemanlı) mikroşerit dizi anten ve düzlemsel (4x4) Vivaldi anten tasarımları sunulmuştur. Buna göre, öncelikle 2,45 GHz, müteakiben 9,26 GHz frekansında çalışan mikroşerit yama anten parametrelerinin optimizasyonu yapılarak kazanç arttırılmıştır. İstenilen S11 parametresi ve ışıma örüntüsü için hesaplamalı elektromanyetik yöntemleri kullanarak GA optimizasyon metodunun performans analizi ve değerlendirmesi yapılmıştır. Daha sonra, mikro şerit yama antenlerden oluşan anten dizisinin parametreleri optimize edilerek düşük yan huzme seviyesi elde edilmiştir.  Optimal ışıma örüntüsü elde etmek için 8, 16, 32, 48 elemandan oluşan anten dizileri örnek olarak incelenmiş ve her bir elemanın akım uyarım genlikleri ve elemanlar arası mesafeler analiz edilmiştir. Optimizasyon tekniği olarak GA işlem sürecine titreşimsel yaklaşım eklenerek hesaplama performansı arttırılmıştır. Tasarlanan tekli anten ve dizi anten yapılarının ayrı ayrı ışıma karakterleri incelenmiştir. Alt tabaka olarak piyasada kolayca bulunabilen 1,6 mm kalınlığında 4,3 dielektrik sabitli FR-4 kullanılmıştır. Arzu edilen çalışma frekanslarında tek bir antenin geri dönüş kaybının 10 dB'in altında ve gerilim duran dalga oranının 1,1 seviyelerinde, farklı sayılardaki optimize edilmiş dizi antenlerin ise yan huzme seviyelerinin -30 dB'in altında olduğu görülmüştür.  Müteakiben, özellikle mini ve mikro kategorideki keşif uydularında kullanma alanına sahip yapay açıklıklı radar uygulamaları için çok geniş bantta çalışan yüksek kazanç ve yönlülük değerine sahip Vivaldi dizi anten tasarımı sunulmuştur. Önerilen anten yapısı yönlülük, kazanç, geri dönüş kaybı, gerilim duran dalga oranı ve anten verimi gibi bir antenin ışıma karakteristiğini oluşturan parametreleri geliştirmek için modifıye edilmiştir. Öncelikle tek bir anten elemanının tasarım parametreleri GA kullanılarak optimize edilmiştir. Optimize edilen Vivaldi anten yapısı 44x49 mm boyutlarında, X-bant(8-12 GHz) ve Ku-bant(12-18 GHz) frekans aralıklarında  -10 dB'in altında geri dönüş kaybı (S11 ) ve yüksek kazanç sunmaktadır. Alt tabaka olarak piyasada kolayca bulunabilen ve yüksek frekanslarında tercih edilen 0,508 mm kalınlığında 2,2 dielektrik sabitli Rogers Duroid RT5880 kullanılmıştır. Yüksek çözünürlüklü yapay açıklıklı radar uygulamalarında kullanılmak üzere optimize edilen anten yapısı düzlemsel dizi anten olarak tasarlanmıştır. Düzlemsel dizi anten (4x4) 16 elemanlı olarak oluşturulmuştur. Belirlenen bant genişliğinde yan huzme sevilerini (SLL) ve istenmeyen huzmeleri (grating lobes) en aza indirerek kazancı yükseltmek için elemanlar arası mesafe ve akım genlik uyarımları GA ile optimize edilmiştir. Böylece -20 dB seviyeleri altında yan kulakçık seviyesi, çalışma frekansı boyunca ortalama 18 dB kazanç ve 10 GHz 'de en yüksek 19,4 dB anten kazancı elde edilmiştir. Üretimi yapılan anten yapısının ölçüm sonuçları ile simülasyon sonuçları iyi bir eşleşme göstermekte ve yüksek çözünürlüklü YAR uygulamaları için kullanılabileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
In today's asymmetric and symmetrical warfare environment, shaping the battlefield and taking the initiative is achieved by effectively using technological superiority. For this reason, many researches are carried out especially in areas such as military communication and radar systems, electronic warfare systems and target detection and diagnostic systems. It is very important to obtain quality signal free from noise in the intensive electromagnetic interference and signal pollution and to convert this signal into useful information. Therefore, the antenna design, which is one of the basic components of the electromagnetic systems and which is expressed as a signal transceiver unit, has been studied extensively. Especially, the antenna designs that can use the advantages of broadband technology and which have the radiation pattern in the desired direction and gain, and which can be easily integrated with other units of the system, are becoming more and more important.
Microstrip antennas and array antenna designs have been an important area of work for military radar and communication systems due to their low cost and light weight designs which is easily reproducible with printed circuit technology. Various optimization techniques are used for antenna designs with high gain and versatility that can operate in the desired frequency band. Especially heuristic optimization techniques, which offer a rapid solution to multivariate problems, which are difficult to model mathematically with electromechanical computational programs, are of particular interest.
In this study, microstrip patch antenna and Vivaldi antenna array designs are presented with high gain, high directivity and low side lobe level to be used for X-Band radar applications especially for synthetic aperture radar applications that can be easily used on unmanned aerial vehicles. The antenna design parameters are optimized with genetic algorithms so that each antenna can operate in the desired frequency range. In addition, the distance between the antenna elements designed with genetic algorithms and the current excitation amplitudes were optimized so that the antenna had the desired radiation pattern at low side lobe levels.
In the study, microstrip antenna and Vivaldi antenna as a single, linear (8, 16, 32 and 48 elements) array of microstrip antenna and planar (4x4) Vivaldi antenna designs are presented. According to this, firstly the parameters of the microstrip patch antenna operating at 2,45 GHz and 9,26 Ghz frequency were optimized and the gain was increased. As a substrate, FR-4 with a 2,2 dielectric constant and 1,6 mm thickness, which can be easily found on the market has been used. Performance analysis and evaluation of the genetic algorithm method were performed by using computational electromagnetic methods for the desired S11 parameter and radiation pattern. Then, the parameters of the antenna array composed of microstrip patch antennas were optimized and low side lobe level was obtained. In order to obtain an optimized radiation pattern, the antenna arrays consisting of 8, 16, 32, 48 elements were examined for example and the current excitation amplitudes and the distances between the elements were analyzed. Subsequently, Vivaldi array antenna design with high gain and directivity is offered for the application of SAR applications, especially in mini and micro category exploration satellites. The proposed antenna structure has been modified to improve the parameters that make up the radiation characteristic of an antenna, such as directivity, gain, return loss (S11), voltage standing wave ratio (VSWR), and antenna efficiency. Firstly, the design parameters of a single antenna element are optimized using Genetic Algorithms (GA).The optimized Vivaldi antenna structure in 44x49 mm dimensions offers high antenna gain and return loss (S11)   below -10 dB in X-band (8-12 GHz) and Ku-band (12-18 GHz) frequency range. As a substrate, Rogers Duroid 5880 with a 2,2 dielectric constant and 0,508 mm thickness, which can be easily found on the market and preferred at high frequencies, has been used. The antenna structure, which is optimized for use in high resolution synthetic aperture radar applications, is designed as a planar antenna array. The planar antenna array (4x4) is formed with 16 elements. The distance between the elements and the amplitude of current is optimized by GA in order to enhance antenna gain by minimizing side lobe levels (SLL) and the grating lobes in operating band width. In this way, the side lobe level below -20 dB, the average 18 dB gain during the operating frequency and the highest 19,4 dB antenna gain at 10 GHz have been obtained. The measurement and simulation results are in agreement and the proposed antenna has been proven to be suitable for high resolution SAR applications.