Küçük açıklıklı Ku bant uydu terminalleri için odak-düzlem anten dizini geliştirilmesi
Ku band focal plane array design for reflector antennas in very small aperture satellite terminals
Yazar: YAVUZ AŞCI
Danışman: PROF. DR. KORKUT YEĞİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Parabolik anten = Parabolic antenna ; Yarık anten = Slot antenna ; Şerit antenler = Strip antennas

Özet:
Ku-Bandı uydu haberleşme uygulamalarında sıklıkla kullanılan frekans bandıdır. Bu tezde, askeri insansız hava araçlarında uçaklarında kullanılmak üzere aynı anda alıcı ve verici olarak kullanılabilecek lineer polarize, yüksek kazançlı, geniş bantlı, düşük profilli Ku-Bant düzlemsel dizi anten tasarımı, üretimi ve ölçümleri anlatılmaktadır, Daha önceki tasarımlardan farklı olarak tasarlanan dizi anten, Ku bandındaki bütün frekans aralığını (10.5-14.5 GHz) 10.5-12.75 GHz indirme ve 13.75-14.5 GHz gönderme bantlarındaki anlık alışları kapsayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu tasarım, haberleşmede indirme ve gönderme bandı için ayrı ayrı antenler kullanmak yerine tek bir anten kullanılması kolaylığını getirmektedir. Çalışmada öncelikle dizi antende kullanılmak üzere 2x2 birim anten tasarlanmıştır. Tasarlanan 2x2 birim antenin diğer RF devre bileşenlerine uyumunu araştırmak amacıyla kullanılan eş değer devresi Forester reaktans teoremi yardımıyla bulunmuştur. Tasarlanan 2x2 birim antenden, 4x4 alt dizi anten ve daha sonra da 8x8 nihai dizi anten oluşturulmuştur. Tasarlanan 4x4 alt dizi anteni ve 8x8 nihai dizi anteni beslemek için geniş bantlı düşük kayıplı korporatif dalga kılavuzu besleme ağı tasarlanmıştır. Tasarlanan güç bölücü/birleştirici içeren besleme ağı Ku bandında mikroşerit hatların fazla kayıplı olması nedeniyle, korporatif dalga kılavuzu besleme kullanılmıştır. Tasarlanan yapının düşük profilli olması istenildiğinden besleme ağı dalga kılavuzunun küçük kenarı olabildiğince kısa tutturulmuştur. Tasarlanan antenleri, standart bir dikdörtgen dalga kılavuzu adaptör olan WR75 dikdörtgen dalga kılavuzuyla besleyebilmek için özel bir geçiş yapısı tasarlanmıştır. Besleme ağının tasarlanma aşamasında geleneksel yarıklı dalga kılavuzu besleme ağında yaşanılan dar bant genişliği probleminin üstesinden gelmek amacıyla H–düzlemi dalga kılavuzuyla beslenmiştir. Besleme ağında antenlere iletilen sinyalin eşit güçte ve eşit fazda beslemekte yaşanılan problemler aşılarak geliştirildi. Bu zorlukların yanı sıra yansımaların bastırılması, bağlaşım (coupling) ve büyük yan kulakçık (grating lob) durumları da göz önünde bulunduruldu. Tasarımda karşılaşılan asıl problem ise geniş bantlı alt dizi ve bu diziye uyumlu besleme ağının nasıl oluşturulması gerektiğidir. Bu çalışmada, minimum kayıplı, geniş bantlı birim eleman, alt dizi, nihai dizi anten ve besleme ağı tasarımını bir optimizasyon problemi olarak ele almaktadır. Bu çalışmaların sonucunda oluşturulan 2x2 birim, 4x4 alt dizi ve 8x8 nihai dizi anten dizisi 10 dB geri dönüş kaybına göre sırasıyla; % 37.8 (10.3-15.1 GHz), % 43 (9.7-15 GHz) ve % 36.2 (10.2 -14.7 GHz) oransal bant genişliğine sahiptirler. 8x8 nihai anten 10.5-14.5 GHz aralığında hem yatay hem de dikey polarizasyonda en düşük 25.8 dBi ve en yüksek 27.3 dBi'lık bir kazanca sahiptir. Anten açıklık verimini 11 GHz'de en yüksek % 89 ve 14.5 GHz'de en düşük % 63 olarak hesaplanmıştır. 8x8 nihai dizi antenin boyutları 176.1 x 158.1 x 21.7 milimetredir (7.34 λ0 x 6.59 λ0 x 0.90 λ0 @12.5 GHz)
Tezin bir diğer amacı ise üretilen birim antenin geleneksel üretim tekniklerine kıyasla daha ucuz, daha çabuk üretimini sağlayan 3 boyutlu baskı teknolojisi ve sprey kaplama yöntemi kullanılarak üretilmesidir. 3 boyutlu baskı teknolojisiyle sadece 2x2 birim anten üretilmiştir. 3 boyutlu baskı teknolojisiyle üretilen 2x2 birim antenin 10 dB geri dönüş kaybına göre oransal bant genişliği % 39 (10.5-15.6 GHz) olup, kazancı en yüksek 13 GHz'de 13.1 dBi'dır. Alınan sonuçlar tasarımın sadece geleneksel üretim (CNC) yöntemiyle değil de daha ucuz ve hızlı bir üretim tekniği olan 3 boyutlu baskı yöntemiyle de gerçekleştirilebileceği göstermiştir.

Abstract:
Ku-Band is a frequency band commonly used in satellite communication applications. In this thesis, linear polarized, high gain, broadband, low profile Ku-band planar array antenna design, production and measurements that can be used as receiver or transmitter for military unmanned aerial vehicle systems are presented. The array antenna, which is designed differently from the previous designs, has been designed to cover the entire frequency range (10.5-14.5 GHz) in the Ku-band and the reception in the 10.5-12.75 GHz downlink and 13.75-14.5 GHz uplink bands. This design makes it easier to use a single antenna for communication instead of using separate antennas for downlink and uplink band. In this thesis, firstly, the 2x2 unit antenna is designed to be used in array antenna. The equivalent circuit used to investigate the compatibility of the designed unit antenna with other RF circuit components was found with the help of the Forester reactance theorem. The 4x4 subarray antenna was formed with this 2x2 unit antenna and then the 8x8 final array antenna was created. Broadband low-loss feed network has been designed to be used in array antennas. Due to the high loss of microstrip lines in the Ku band, as the transmission line, a corporative waveguide feed with power divider/combiner was used. The WR75 rectangular waveguide, a standard rectangular waveguide adapter, which is frequently used in Ku-Band applications, is connected to the feed line with a special transition structure. Within the rectangular waveguide, the electromagnetic wave propagates only one mode, that is TE10 dominant mode. In the design of the feed network, the H – plane waveguide feed network was used to overcome the bandwidth problem of the conventional slotted waveguide. The feed network has been developed to meet the requirements of equal power and phase indifference of the signal sent to the unit antennas. In addition to these difficulties, supression of reflections, mutual coupling and grating lobe conditions were considered. The main problem faced during the design procedure has been the broadband sub-array and how to create a feed network compatible with this array. This study considers the achievement of the minimum loss, broadband unit element, subarray and feed network design as an optimization problem. The 2x2 unit, 4x4 subarray and 8x8 final array antenna generated as a result of these studies have fractional bandwidths of 37.8 % (10.3-15.1 GHz), 43 % (9.7-15. GHz), 36.2 % (10.2-14.7 GHz) for minimum 10 dB return loss, respectively. Gain values of 8x8 final array are minimum 25.8 dBi and maximum 27.3 dBi between 10.5-14.5 GHz in both horizontal and vertical polarizations. Aperture efficiency of the 8x8 final array antenna is minimum at 11 GHz and maximum at 14.5 GHz, 63 % and 89 % respectively. The overall dimensions of the 8x8 final antenna array is 176.1 x 158.1 x 21.7 milimeters (7.34 λ0 x 6.59 λ0 x 0.90 λ0 @12.5 GHz). 
Another aim of the thesis is to use the 3-D printing technology and spray coating method which provides cheaper, faster production of the produced unit antenna compared to traditional production techniques (CNC). Only 2x2 unit anttena was produced by using this method. 3D printed 2x2 unit antenna has 39 % fractional bandwith for minimum return loss 10 dB and has maximum gain 13.1 dBi at 13 GHz. The results show that design can be realized not only with traditional production method (CNC) but also with this method