X-Ku bandı huni dizi anten ve pasif mikrodalga elemanlarının tasarımı ve üretimi
Design and manufacturing of X-Ku band horn array antenna and passive microwave components
Yazar: ABDULLAH GENÇ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. TUNA GÖKSU ; PROF. DR. SELÇUK HELHEL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Birçok farklı alanda kullanılan eklemeli imalat veya 3D baskı teknolojisinin önemi ve yaygınlığı her geçen gün artmaktadır. Bu teknolojinin, karmaşık geometrideki yapıları monolitik olarak, hafif ağırlıkta ve daha düşük maliyette üretmek gibi birçok avantajı bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, 3D baskıyla üretim ve ABS plastik yüzeyine metal kaplama gibi yeni, özgün üretim teknikleri ülkemizde ilk kez mikrodalga alanında kullanılmıştır. Bu sayede hafif, düşük maliyetli pasif mikrodalga komponentleri ve antenleri üretmek mümkündür.
Bu çalışmada, uydu sistemleri için X-Ku (10-15 GHz) bandında 2x2 huni dizi anten tasarlayıp üretmek amaçlanmaktadır. Bu anten, yüksek verimli, yüksek kazançlı, yönlü, lineer kutuplamalı ve geniş bantlı bir karakteristlik gösterir. Uydu sistemlerinin yanı sıra yansıtıcı antenlerde besleme elemanı olarak da kullanılabilir. Dizi anten sayesinde hem antenin ışıma örüntüsünü değiştirmek hem de kazanç değerini artırmak mümkündür. Fakat dizi eleman sayısına bağlı olarak kazanç değeri artarken istenmeyen kayıplar da artar. Dizi anten besleme için dalga kılavuzu besleme ağı kullanılmıştır. Besleme ağı, dikdörtgen dalga kılavuzu, E-tipi dirsek elemanı ve T-ekleme elemanları gibi pasif mikrodalga komponentlerden oluşur.
Tüm tasarımlarda CST Studio Suite® simülasyon programı kullanılmıştır. 3D yazıcı kullanılarak ABS plastik malzemeden üretim gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, önerilen yapılar, istenilen kalınlıkta bakır ile kaplanmıştır ve kullanıma hazır hale getirilmiştir. Ölçümler vektör network analizörü (VNA) ile gerçekleştirilmiştir. Dalga kılavuzları, E ve H-tipi dirsek ve köşe elemanlarının iletim ve yansıma kaybı gibi performansları ölçüm ve simülasyon olarak incelenmiştir. Ayrıca besleme ağlarında kullanılmak üzere iris ve perdeden yararlanılarak daha düşük yansımaya sahip özgün T-ekleme elemanı tasarlanıp üretilmiştir.
Ayrıca, piramit huni antenlerin tasarımı için Matlab GUI ara yüz oluşturulmuştur. Uydu sistemleri için 10-15 GHz bandında piramit huni anten ile 2x1, 2x2 dizi huni antenler tasarlanmış, üretilmiş ve performansları simülasyon ve ölçüm olarak elde edilmiştir. Antenlerin VSWR, kazanç ve ışıma örüntüleri elde edilmiştir. Son olarak, bakır, nikel, krom gibi farklı iletkenliğe sahip metallerin piramit huni antenlerin kazancı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Tüm tasarımlarda yüzey pürüzlülüğünün performansa olumsuz bir etkisi söz konusudur. Çok kaliteli 3D yazıcılar kullanarak bu etki azaltılabilir.

Anahtar Kelimeler: Piramit huni anten, dizi anten, dikdörtgen dalga kılavuzları, T-ekleme elemanı, pasif mikrodalga komponentler, X-Ku bandı, 3D baskı, metal kaplama.

Abstract:
The significance and prevalence of additive manufacturing or 3D printing technology used in many different areas have been increasing day by day. There are several advantages of this technology such as producing monolithic structures in complex geometry, light weight and lower cost. New and novel production techniques such as 3D printing and metal coating on the surface of ABS plastic have been used in the microwave field for the first time in our country. In this way, it is possible to manufacture lightweight, low cost passive microwave components and antennas.
In this study, it is aimed to design and manufacture 2x2 horn array antenna for X-Ku (10-15 GHz) band for the satellite systems. This antenna has exhibited a high efficiency, high gain, directional, linear polarized and broadband characterization. It can be used as a feeding element in reflective antennas as well as in satellite systems. It is possible both to change the antenna radiation pattern and to increase the gain value by means of array antenna. However, depending on the number of elements in the array, the gain value of antenna increases while the unwanted losses increase. A waveguide feeding network is used for array antenna feed. The feed network consists of the passive microwave components such as rectangular waveguide, E-type bend element, and T-junction elements.
CST Studio Suite® simulation program is used in all designs. The manufacturing is realized from ABS plastic material using 3D printer. Then, the proposed structures were covered with copper at the desired thickness and the use is made ready. Measurements are performed with a vector network analyzer (VNA). The performances of waveguides, E and H-type bend and sharp bend elements such as insertion and return losses are investigated as a measurement and a simulation. In addition, the novel T-junction element having lower reflectance is designed and manufactured using iris and septum in order to use in feed networks. In addition, a Matlab GUI interface was created for the design of pyramid horn antennas. 10-15 GHz band pyramidal horn antenna for satellite systems and 2x1, 2x2 horn array antennas are designed, manufactured and their performances are obtained as simulation and measurement. VSWR, gain and radiation patterns of the antennas are obtained. Finally, the effects of metals with different conductivities such as copper, nickel, chromium on the gains of pyramidal horn antennas are investigated. There is a negative effect of the surface roughness on the performance in all designs. This effect can be reduced by using high-quality 3D printers.

Keywords: Pyramid horn antenna, array antenna, rectangular waveguides, T-junction, passive microwave components, X-Ku band, 3D printing, metal coating.