Bitki gelişim simülasyon, diferensiyel arama ve geri-izleme arama optimizasyon algoritmaları ile anten dizi sentezi
Antenna array synthesis using plant growth simulation, differential search and backtracking search optimization algorithms
Yazar: ALİ DURMUŞ
Danışman: PROF. DR. KERİM GÜNEY
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Haberleşme sistemleri için etkin bir anten dizisi tasarlamak oldukça önemlidir. Anten dizilerinin performansı, birinci sıfır demet genişliğine (FNBW: First null beam width) ve maksimum yan demet seviyesine (MSL: Maximum sidelobe level) önemli ölçüde bağlıdır. FNBW'si dar olan diyagramlara sahip anten dizileri yüksek yönelticiliğe sahiptir. Diğer elektromanyetik dalga kaynakları sebebiyle oluşan girişimi engelleyebilmek için dikkate alınan temel unsurlardan birisi de düşük MSL değeridir. Eğer anten tasarımcısı tarafından girişim açısı biliniyorsa, diyagram sıfırlama işlemi sistem performansını oldukça iyileştirmektedir. Genellikle, anten dizi diyagram sentezi, dizi elemanlarının yer, genlik ve faz değerlerinin belirlenmesi ile gerçekleştirilir. Diyagram sentezi doğrusal olmayan bir optimizasyon problemi olduğu için klasik optimizasyon teknikleri bu nitelikteki optimizasyon problemlerini çözmekte yetersiz kalabilmektedir. Modern optimizasyon algoritmaları bu tür zor anten dizi diyagram sentezi problemlerini çözmek için kullanılmaktadır.
Bu tezde, bitki gelişim simülasyon algoritması (BGSA), diferansiyel arama algoritması (DAA) ve geri-izleme arama optimizasyon algoritması (GAOA) çeşitli anten dizi diyagram sentezi problemlerini çözmek için kullanılmıştır. BGSA ile doğrusal anten dizi elemanlarının sadece genlikleri kontrol edilerek, girişim yönlerinde tekli, çoklu ve geniş sıfırlar elde edilmiştir. 
DAA, üç farklı doğrusal anten dizi optimizasyon probleminin çözümü için kullanılmıştır. İlk olarak, doğrusal anten dizi elemanlarının sadece genlikleri belirlenerek geniş sıfırlara sahip dizi diyagramları elde edilmiştir. İkinci olarak, dizi elemanlarının sadece genlik, sadece faz ve sadece yerlerinin hesaplanmasıyla dizi diyagramı üzerinde tekli sıfırlar oluşturulmuştur. Üçüncüsünde ise DAA ile dizi arızası giderme işlemi gerçekleştirilmiştir.
GAOA kullanılarak doğrusal anten dizi elemanlarının sadece genlik, sadece faz ve sadece yer değerleri belirlenerek diyagram sıfırlama yapılmıştır. Derin sıfırlara ve düşük yan demet seviyelerine sahip dizi diyagramları elde etmek amacıyla, seçili elemanların yer pertürbasyon değerleri GAOA ile belirlenmiştir. GAOA, dar FNBW'de düşük yan demetlere sahip eşmerkezli dairesel anten dizi sentezi için de kullanılmıştır. Ayrıca, eşmerkezli dairesel anten dizileri için, girişimin oluştuğu yönlerde tekli, çoklu ve geniş sıfırlara sahip diyagramlar elde edilmiştir. GAOA ile sabit FNBW'de düşük MSL değerlerine sahip seyreltilmiş eşmerkezli dairesel anten dizi sentezi gerçekleştirilmiştir. Farklı sayıda elemana sahip eliptik anten dizilerinin açısal konum ve genlik değerleri GAOA ile belirlenerek, düşük yan demet seviyelerine sahip dizi diyagramları elde edilmiştir. 
BGSA, DAA ve GAOA ile elde edilen sonuçlar, literatürdeki metotların sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. BGSA, DAA ve GAOA'nın arzu edilen anten dizi diyagramlarını başarılı bir şekilde elde edebileceği ve yaygın olarak kullanılan diğer algoritmalar ile rekabet edebilecek nitelikte olduğu sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler: 	Anten dizileri, anten dizi sentezi, bitki gelişim simülasyon algoritması, diferansiyel arama algoritması ve geri-izleme arama optimizasyon algoritması.

Abstract:
It is very important for the communication systems to design an efficient antenna array. The performance of an antenna array highly depends on its first null beam width (FNBW) and maximum sidelobe level (MSL). The antenna arrays having the patterns with narrow FNBW values provide high directivity. The low MSL value is one of the main factors considered to avoid interferences with electromagnetic waves produced by the other systems. If the interference angle is known by the antenna designer, performing the null suppression work is very useful to improve the system performance. In general, the pattern synthesis of the antenna array is performed by determining the position, amplitude and phase of the array elements. The classical optimization techniques may fall short of solving this kind of optimization problems since the pattern synthesis is a highly nonlinear problem. Modern optimization algorithms help to solve these difficult problems of the antenna array pattern synthesis.
In this thesis, plant growth simulation algorithm (PGSA), differential search algorithm (DSA), and backtracking search optimization algorithm (BSA) are used to solve several antenna array pattern synthesis problems. PGSA is used to place single, multiple, and broad nulls to the interference directions by controlling only the linear antenna array element amplitudes. 
DSA is employed to solve three different types of linear antenna array synthesis problems. The first is the wide nulling on the array pattern by controlling amplitude-only. The second group of optimization problem is the single nulling on the array pattern by controlling amplitude-only, phase-only, and position-only. The third is the array failure correction task performed with the use of DSA. 
BSA is proposed for pattern nulling by controlling only the amplitude, phase and position of the linear antenna array elements. In order to synthesize antenna array patterns having deep nulls and low sidelobe levels, BSA is used to control the position perturbations of the selected elements. BSA is also utilized for the synthesis of concentric circular antenna arrays with the low sidelobe levels at narrow FNBW. Furthermore, several numerical examples of concentric circular antenna array patterns with the single, multiple, and broad nulls imposed at the directions of interference are presented.BSA is used to synthesize thinned concentric circular antenna arrays with low MSLs at a fixed FNBW. Several elliptical antenna arrays with different number of array elements are considered to achieve optimum radiation patterns having low MSLs by calculating element angular positions and amplitude values with the use of BSA.
Some relevant comparisons are performed between the results taken from the literature and the results obtained by PGSA, DSA, and BSA. It can be summarized that PGSA, DSA, and BSA are successful algorithms to achieve the desired antenna array patterns and very competitive alternatives to the state-of-art optimization methods.

Keywords: 	Antenna arrays, antenna array synthesis, plant growth simulation algorithm, differential search algorithm, and backtracking search optimization algorithm.