Faz modları kullanılarak silindirik dizi antenlerinin hızlı tasarımı ve analizi
Fast analysis and design of cylindrical array antennas via phase modes
Yazar: HASAN AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Askeri ve sivil uygulamalarda yaygın olarak kullanılan antenler, sistemin karakteristiğini ve performansını etkileyen önemli bir sistem elemanıdır. Askeri uygulama alanı olan radar sistemlerinde farklı amaçları ve gereksinimleri karşılamak için farklı karakteristiğe sahip antenler kullanılmaktadır. Özellikle son yıllarda gelişmiş radar sistemlerinde en yaygın olarak kullanılan anten çeşidi faz dizili antenlerdir. Farklı boyut ve türlerde olabilen dizi antenler, geniş kapsama alanı, yüksek yönlülük, etkin radar menzili, hassas doğruluk ve yön bulma gibi özellikleri sayesinde askeri ve sivil uygulamalarda kullanımı artmaktadır. 
Faz dizili antenler radyo dalgalarını alma veya iletmek için tek bir anten olarak birlikte çalışan anten kümesi olarak tanımlanabilir. Yüksek kazanç, yönlülük ve geniş kapsama alanına sahip olması önemli özellikleridir. Genel olarak dizi antenlerde, kullanılan bireysel anten elemanlarının sayısı ne kadar fazlaysa, kazanç o kadar yüksek ve huzme o kadar dardır. Tekil antenlerin kullanıldıgı radar sistemleri hüzmeyi mekanik olarak yönlendirirken, dizi antenlerin kullanıldıgı sistemler hüzmeyi mekanik olarak değil elektriksel olarak yönlendirebilmektedir. Ayrıca faz dizili antenler aynı anda birden çok ve farklı tipte hüzmeler oluşturabilmektedir. Dizi antenlerin sisteme kazandırdığı geniş kabiliyetlerin yanı sıra platform şekillerine uygun olarak, düzlemsel/dogrusal, silindirik/dairesel ve konformal gibi geometrik şekillerde kullanılmaktadır. Dizi anten oluşturabilmek için yaygın olarak kullanılan anten çeşitleri yama ve vivaldi antenlerdir. Bu antenler tekil olarak çalıştıgı gibi dizi olarakta çalışmaya uygun antenlerdir.
Anten elemanlarının aralarında belirli bir periyodiklik ile yanyana dizilmeleriyle oluşan faz dizili antenlerin tasarımları ve analizleri dizinin boyutuna göre farklılık gösteren zor bir problemdir. Büyük faz dizili antenlerin tasarımı ve analizi, kullanılan elektromanyetik simulasyon araclarının hesaplamak için kullanacağı kaynağın limiti, maliyeti ve zamanıyla ilgili zorluklar içermektedir. Dizi antenlerin çözümünde kullanılan geleneksel elektromanyetik simulasyon programları yüksek ram ve hafiza kullanmaktadır. Dizinin boyutu büyüdükce kullanılan ram ve hafıza da artmaktadır ve çözüm çok zor bir hale gelebilmektedir. Yaygın olarak kullanılan simulasyon araçları problemin çözümü için belirli yaklaşımlar kullanarak fazlı dizi tasarımları mümkün hale getirmiştir. Simulasyon tekniği olarak, faz dizili antenlerin kendi içindeki simetrisinden yararlanan sonsuz dizi yaklaşımını kullanmaktadır. Bu yöntemle hesaplama alanı, anten dizisinin dizilimi boyunca sonsuz bir periyodik uzantıyı simüle eden uygun sınır koşullarına sahip tek bir anten elemanına indirger. Dizinin boyutu arttıkca yaklaşımın dogruluğu artmaktadır. Bu yaklaşım düzlemsel/dogrusal diziler için kullanışlıyken, silindirik/dairesel diziler için kullanışlı değildir. Bu durumun temel sebebi mevcut teknik, tüm elemanları aynı olarak ele alır ve kenar elemanları göz ardı eder. Düzlemsel/dogrusal dizilerde ortak bir eleman örüntüsü varken, Silindirik/dairesel diziler için ortak bir eleman örüntüsü yoktur. 
Bu çalışmada, silindirik/dairesel dizi anten tasarımını düzlemsel/dogrusal dizilerdeki gibi yaklaşımla tasarlamak için numerik bir yöntem sunmak amaçlanmıştır. Elektromanyetik çözücü olarak ANSYS HFSS kullanan Matlab tabanlı bir yöntem uygulanmıştır. Düzlemsel/dogrusal dizi tasarımında olduğu gibi hesaplama alanını tek bir elemana indirgemeye çalışılmıştır. Faz modu konseptini kullanan bu yöntemle silindirik bir dizinin tamamını çözmek yerine birim hücre olarak adlandırılan tek bir elemanını tasarlayarak ve analiz ederek, sonlu dizi çözümüyle aynı sonuca ulaşmak hedeflenmiştir. Birim hücre çözümünün faz modu kullanarak elde edilen gömülü eleman örüntüsünü, dairesel dizideki tüm elemanlarla olan sonlu çözümündeki eleman örüntüsüyle, nişan hattında ve yükseliş eksenindeki herhangi bir tarama açısı için elde edilen sonuçlarla karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Burada anten dizisi etrafındaki birden fazla elemanın uyarılmasıyla elde edilecek olan örüntü şekilleride incelenmiştir. Ayrıca geri dönüş kaybı S11 karşılaştırılıp yöntem dogrulanmaya çalışılmıştır.

Abstract:
An antenna array (or array antenna) is a cluster of multiple connected antennas that work together as a single antenna to transmit or receive radio waves. The radio waves emitted by each antenna are combined and overlapped to increase the radiated power in the desired directions. An antenna array can achieve higher gain, a narrower beam of radio waves than a single element can achieve. In general, the more individual antenna elements used, the higher the gain and the narrower the beam. 
Arrays are popular because they can shape the pattern according to the spacing and excitation setting used. Also, scan the pattern in angular space by dynamically adjusting the excitation phases electronically. Such an array is referred to as a phased array. The traditional method of scanning a directional beam is to mechanically steer an aperture antenna. Unlike the traditional method, a Phased array usually steers the beam electronically. The beam of radio waves can be electronically steered to point in any direction instantly over a wide angle without moving the antennas. Arrays can be defined for many geometric surfaces, including non-planar surfaces. Such as cylindrical, planar, conformal, etc. There are many applications for phased arrays, most notably in radar.
Array antennas in radar systems are frequently preferred in recent years due to their high gain, wide coverage, sensitive directivity and electronic scanning features. They have the unique ability to electronically scan the beam in angular space by dynamically adjusting the excitation phases, as well as beamforming by appropriate adjustment of arrays, element spacing, and excitation coefficients. Such an array is called a phased array. The conventional method for guiding the beam is to mechanically steer an aperture antenna such as aperture antenna. Therefore, the problem of mechanically rotating a large antenna can be solved by properly excitation of many small antennas in the array. 
Phased arrays can scan a beam at electronic speeds and even have multiple simultaneous main beams, in addition to eliminating the need for a mechanical structure needed to steer a large antenna. Despite a feeder network required to create the desired direction and type of beam with array antennas, today's low cost electronics make electronic scanning more affordable with computing and digital signal processing hardware and software. Arrays are used for all kinds of geometric surfaces. Sequences can be defined for many geometries, including surfaces such as planar/linear, cylindrical/circular, as well as non-planar surfaces to fit existing contours such as aircraft skin.
The first widely used array antenna was the Yagi-Uda array invented in 1926. The Yagi was followed by other fixed-phase arrays that were mechanically steered. Phased arrays emerged during World War II using mechanical phase shifters. With the invention of the ferrite phase shifter in the 1950s, full electronic scanning became possible. Both array element advances and solid-state phase shifters allowed for more affordable, compact phased arrays beginning in the 1960s. The recent innovation in arrays is the active phased array in which each element has transmit/receive electronics including phase adjustment.
The design and analysis of a large phase array antenna is a difficult problem that is often limited by computational resources, cost and time. The common simulation technique used to speed up planar/linear array designs uses the infinite array approach that takes advantage of the natural symmetry in the array. This approach is limited to planar/linear arrays and is not suitable for circular and cylindrical arrays. A cylindrical/ circular array does not have a progressive phase like a linear array, which means that the simplification of calculating the radiation pattern as the product of an average element radiation pattern and the array factor cannot be used. Therefore, a simulation, design and optimization method is required for cylindrical/ circular phased array design, similar to the techniques used in planar/linear array design.
As in every antenna design, electromagnetic simulation programs have a very important place in studies for array antenna design. Thanks to the developed programs, the performance of the designed antenna can be achieved very close to reality. In this way, it has been possible to carry out antenna designs easily, quickly and inexpensively.
With today's advanced electromagnetic simulation programs, thanks to the boundary conditions used to design a planar/linear array antenna, instead of designing the array antenna together with all its elements, the unit cell is reduced to a single element by designing the computational area, and thus a planar/linear array antenna design is quickly realized. This simulation method is only performed for planar/linear arrays. Cylindrical/circular arrays cannot be solved with this method. In this study, it is emphasized to apply a numerical method that will allow the designing of a cylindrical/circular array using the unit cell instead of solving it with all its elements using the phase mode concept. This method used is general and can be applied in conformal arrays.
In this work, a computer-aided technique is proposed to accelerate the design and analysis of a circular/cylindrical array using a unit cell approach in the Ansys High Frequency Structure Simulator (HFSS). The proposed technique uses the concept of phase modes, is general, and can use periodic boundary conditions. 
The concept of phase modes is useful in explaining the radiation of circular and cylindrical arrays and is especially valuable in the synthesis of desired patterns. Linked boundary conditions are used in Ansys HFSS to simulate phase mode analysis in azimuth and to simulate scanning of an infinitely long cylindrical array in the elevation plane. Then the embedded element patterns of the cylindrical arrays are computed in a Matlab-based framework for each elevation scan using the phase mode concept.
Using the phase mode concept, it is possible to achieve the same result as a finite sequence solution by designing and analyzing a single element, called a unit cell, instead of solving an entire cylindrical array. It provides a numerical method to design the cylindrical/circular array antenna design with the same approach as the linear/planar arrays. It can reduce the computational space to a single element, as in the linear/planar array design.
Unlike the general approach, this analysis is synthesis of embedded element patterns for boresight and elevation scanning. The embedded element pattern and return loss obtained using the phase mode of the simulation solution of the unit cell patch antenna can be found in the sight line and for any scan angle in the elevation axis. Here, the pattern shapes to be obtained by the excitation of more than one element around the antenna array can also be calculated.
The application of the technique is discussed in detail and the method is applied step by step. The results of the method are verified by comparing the results of the unit cell analysis of the patch antenna with the results of the full array patch antenna analysis in HFSS. Embedded element model and active reflection coefficient data are compared and validated with the result of unit cell analysis by full array patch antenna analysis.