Mikroşerit yansıtıcı dizi antenler
Microstrip reflectarray antennas
Yazar: GÖKHAN KAYA
Danışman: PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten dizileri = Antenna arrays ; Elektromanyetik dalgalar = Electromagnetic waves ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks

Özet:
Baskılı devre teknolojisi ile bir dielektrik tabaka üzerinde oluşturulan yansıtıcı dizi (YD) antenleri, bir parabolik yansıtıcı ile bir düzlemsel faz dizi antenin üstünlüklerinin birleştirildiği özel anten yapılarıdır [1-6].Bu tür antenler, parabolik yansıtıcılarda olduğu gibi, temel bir besleme ve yansıtma yüzeyi kullanırken; aynı zamanda faz dizileri gibi, bir düzlem üzerine yerleştirilmiş çok sayıda mikroşerit yama ya da açıklık yüzey elemanlarından oluşmaktadır. Her bir anten elemanı gelen dalgaya, reaktif bir yüzey gibi davranıp, uygun bir faz kaydırması ile tam yansıtarak, ışımanın talep edilen bir (?0,?0) doğrultusunda maksimum olmasını sağlarlar. Bu şekilde faz dağılımı işleminin çok sayıda eleman ile gerçekleştirilmesi sonucu, YD anten huzme paterni şekillendirme ve tarama işlevlerinde geniş bir esnekliğe sahiptir. Bir diğer önemli husus da, parabolik yansıtıcı antenler eğri yüzeyleri nedeniyle özellikle milimetrik dalga frekanslarında ?pürüzsüz? imal edilmeleri zor, hantal yapılardır. Ayrıca, geniş açıda huzme tarama yeteneğinden de yoksundurlar. Düzlemsel aktif faz dizilerinde ise, elektronik huzme tarama sistemleri çok sayıda kuvvetlendirici ve faz kaydırma modülü içermesi nedeniyle son derece karmaşıktır ve maliyeti de yüksektir. Oysa YD antenlerinde, ?huzme şekillendirme olanakları?, birim eleman geometrisi ve dizilimi optimizasyonu ile düşük bir maliyet ile elde edilebilir.Bir YD tasarımında temel olarak iki ana problem vardır: Huzme şekillendirme ve band genişliği. Birbirine karşıt olabilen bu iki tasarım talebini karşılayabilmek için elimizdeki temel araç birim hücre tasarımıdır ve mikroşerit YD lerde birkaç serbestlik derecesine sahip karmaşık, modern yama konfigürasyonlarının kullanılmasına ihtiyaç vardır. Aynı zamanda birim hücre optimum parametreleri ve kalibrasyon karakteristiği tayini, ?doğru? ve ?hızlı? bir ?Birim Hücre Modeli?nin oluşturulmasını gerektirir. Optimum faz karakteristiğinde amaçlanan, en az 3600 lik değişim aralığı ve eleman geometrisi parametrelerine göre gradyantının küçük olmasıdır. Böylece anten yapısının üretim hatalarına göre duyarlılığı azaltılacak ve çalışma bandı genişletilecektir. Birim hücre optimum parametreleri ve kalibrasyon karakteristiği, eleman fazının rezonans frekansı cıvarında geometri ve dielektrik tabaka parametrelerinin fonksiyon yaklaşıklığını oluşturan yapay zeka modeli kullanılarak optimizasyon ile elde edilir ve daha sonra dizi tasarımında yapılır. Burada, model eğitim ve test verisi, kanonik bir yaklaşım olan, sonsuz adet özdeş elemandan oluşan periyodik ?sonsuz dizi? yaklaşımı ile elde edilir [3-12]. Sonsuz dizi yaklaşımı yan duvarları mükemmel magnetik, tabanları mükemmel elektrik olan eşdeğer ?Matematiksel dalga kılavuzu? simulatörünü birim hücre ile sonlandırarak ve dikey polarize edilmiş TEM dalga düşürülmesi durumunda ticari HFSS veya CST paket programları ile analiz edilerek uygulanır ve bu TE ya da TM dalgaları için de 400 ye kadar iyi bir yaklaşıklık sayılabilir [6].Bu tazin temel hedefi, anten teknolojisinde bir devrim sayılabilecek mikroşerit yama YD anteni ülkemizdeki anten mühendisliği dünyasına tanıtmak, tasarımı ve analizlerini modern bilgisayar modelleme ve optimizasyon teknikleri ile analiz etmektir. Sonuç olarak, tesbit edilen belli bir konfigürasyonun mikroşerit yama yansıtıcı dizisi için ön tasarım çalışmaları yapılacaktır. Daha sonra, tasarlanan dizi antenlerin ?3-boyutlu Tam Dalga Elektromanyetik? simulatörü ile benzetimi yapılarak ışıma paternleri hesaplanacak ve analiz edilecektir.Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik Dalga Saçılması, Yansıtıcı Dizi Tasarımı, MikroĢerit Yama Anten, IĢıma Paterni ġekillendirme, Huzme Tarama, Optimizasyon, Yapay Sinir Ağları.

Abstract:
Printed board reflector antennas are the antennas which combine advantages of both the parabolic reflectors and the planar phased arrays [1- 6]. These antennas consist of the microstrip patch or aperture element antennas placed on a flat dielectric substrate and are illuminated by a feed antenna. These types of the antennas act as reactive surfaces, and reflect approximately all the electromagnetic waves with a proper phase shift incident upon their surfaces, thus the radiation is maximized in a required (?0,?0) direction. Since many elements are involved in the phasing process, the reflectarrays offer a lot of flexibilities in the pattern formation such as beam shaping, single/ multiple beam, beam scanning, reconfigurable beams. On the other hand, parabolic reflectors are difficult to manufacture due to their curved structure, at the same time the feed networks of the phased arrays are complicated and expensive because of the beam forming circuits and amplifier modules. In the microstrip reflectarrays, the beam shaping facilities are low cost, since in the microstrip reflectarrays using the printed dipoles or patches, phase shifting can be achieved by varying geometric dimensions of the elements on a proper dielectric substrate around their resonant dimensions. However the advanced novel element configurations with several degrees of freedom are also needed to satisfy pattern shaping requirements and to enhance the frequency behaviour and bandwidth. Management of the different parameters and the need of satisfying requirements that could also be in opposite each other could however make the design of a reflectarray quite complex.In design of a reflectarray, there are the two main problems: Pattern shaping and bandwidth. Fundamental tool to meet these requirements is a fast and accurate model of the unit cell. Particularly, microstrip reflectarrays employe patches with the novel and complicated geometries. Besides one must have an accurate phase versus element geometry calibration characteristic so that the element is able to provide the necessary phase shift to focus the main beam to a desired (?0, ?0) direction. In order to obtain the calibration phase characteristic and the corresponding optimum parameters of the element, an optimization is performed using the artificial intelligence model of the element. Here the optimum element is meant to have the phase characteristic with at least the 3600 phase range and a small gradient with respect to the geometry parameters. Thus sensitivity with respect to the fabrication errors will be minimized and bandwidth will be enhanced. Multilayer Perceptron Neural Network (MLPNN) will be employed in the artificial intelligence modeling of the unit cell [13]. The training and validation data for the element modellng is obtained using the ?infinite array? approach that takes into account the mutual coupling effects and specular reflections from the ground plane itself. The infinite array approach assumes all the elements to be identical and it employes ?the mathematical waveguide? simulator terminated by the unit cell consisting of a single element where the HFSS or CST commercial full-wave simulators are employed to obtain the reflection phase information of the element. Here the side and upper and lower walls of mathematical waveguide are the perfect magnetic and electric, respectively and EM analysis is done for the incidence TEM wave that can be considered as a good approximation for the TM and TE waves up to 400 tool [6]As a brief summary, artificial intelligence such as MLPNN will be used for the design and analysis of the microstrip and waveguide reflectarrays, respectively, then furthermore the full wave electromagnetic simulations will be obtained using Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST MWS).