Küp uydular için C/X dual bantlarında çalışan geniş bantlı katlanabilir yansıtıcı dizi anten tasarımı, benzetimi ve ölçümü
Design, simulation, and measurement of wideband folded reflectarray antenna operating in C/X dual bands for cubesats
Yazar: GÜLPAŞA ÖZDEMİR KURT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT KARAHAN
Milli Savunma Üniversitesi / Alparslan Savunma Bilimleri ve Milli Güvenlik Enstitüsü / Askeri Elektronik Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Harp Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Anten dizileri = Antenna arrays ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas ; Savunma teknolojileri = Defence technologies

Özet:
Son zamanlarda, küp uyduların derin uzay uygulamalarında kullanımı giderek artmaktadır. Özellikle 2018 yılından itibaren yaygınlaşan bu alanda genellikle 3U ve 6U boyutunda küp uydular tercih edilmektedir. Haberleşmenin kritik olduğu bu uygulamalarda yüksek kazançlı antenler kullanılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasında, küp uydular için yansıtıcı dizi anten tasarımı, benzetimi ve ölçümü gerçekleştirilmiştir. Reflektör ve dizi antenlerin avantajlarının bir araya geldiği farklı bir anten tipi olan yansıtıcı dizi antenler, düşük profilli, üretilebilir, yüksek kazançlı ve düşük maliyetli olmaları sebebiyle tercih edilmektedirler. Yansıtıcı dizi anten yapısı yansıtıcı yüzey ve yüzeyi aydınlatan bir besleme anteninden oluşmaktadır. Yansıtıcı yüzey üzerinde geri yansımayı gerçekleştirecek çok sayıda eleman bulunmaktadır. Yüksek performans sağlamak için antenin faz gereksinimleri belirlenmelidir ve bu çalışmada, farklı boyutlardaki elemanlar kullanılarak bu faz gereksinimleri karşılanmıştır. Platform kaynaklı boyut kısıtları dikkate alınarak mekanik olarak katlanabilir bir anten tasarlanması gerekmektedir. Bu nedenle, 300 mm x 300 mm boyutlarında, 240 elemanlı, katlanabilir üç parçadan oluşan bir anten tasarlanmıştır. Besleme anteni olarak boynuz anten tercih edilmiştir. Tasarım faaliyetleri için MATLAB aracılığıyla arayüz geliştirilmiştir. Merkez ekseni yansıtıcı dizi anten olarak referans alındığında antenin ana hüzmesi 21.4 dereceye yönlendirilmiştir. CST Studio Suite aracılığıyla gerçekleştirilen simülasyon sonuçlarına göre 8.4 GHz merkez frekansında anten kazancı 26.2 dBi, yan lob seviyesi ise -21.1 dB'dir. 7.55 – 9.35 GHz aralığında %18 bant genişliği elde edilmiştir. Tasarım faaliyetlerinin tamamlanmasının ardından yansıtıcı dizi anten ve besleme anteninin üretimi gerçekleştirilmiştir. Yansıtıcı dizi antenin ölçümleri için, boynuz anteni sabitleyecek bir destek parçası tasarlanmış ve üretilmiştir. Üretilen ölçüm düzeneği ile yankısız odada farklı frekanslarda yönlülük ve kazanç ölçümleri yapılmıştır. Üretim ve montaj faaliyetlerinde meydana gelen hatalar göz ardı edildiğinde ölçüm sonuçları ile simülasyon sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür.

Abstract:
Recently, the use of CubeSats in deep space applications has been increasing steadily. Particularly since 2018, 3U and 6U CubeSats are commonly preferred in this field. High-gain antennas are required for communication-critical applications in these satellites. In this thesis, the design, simulation, and measurement of a reflectarray antenna for CubeSats have been carried out. Reflectarray antennas are a different type of antenna that combines the advantages of reflectors and array antennas. They are preferred due to being low-profile, manufacturable, high-gain, and cost-effective. The structure of reflectarray antennas consists of a reflective surface and a feed antenna illuminating the surface. There are numerous elements on the surface to achieve back reflection. The phase requirement of the antenna must be determined for high performance, and in this study, the phase requirement was met using elements of different sizes. A mechanically foldable antenna design is required considering platform-related size constraints. Therefore, an antenna consisting of three foldable parts, with dimensions of 300 mm x 300 mm and 240 elements, was designed. A horn antenna was chosen as the feed antenna. Interfaces were developed through MATLAB for design activities. When the main beam of the antenna is referenced as the center axis of the reflectarray antenna, it is directed at an angle of 21.4 degrees. According to the simulation results obtained using CST Studio Suite, the antenna gain at a center frequency of 8.4 GHz is 26.2 dBi, with a side lobe level of -21.1 dB. A bandwidth of 18% in the range of 7.55 – 9.35 GHz has been achieved. Following the completion of the design activities, the production of the reflectarray antenna and the feeding antenna has been carried out. For the measurements of the reflectarray antenna, a support part has been designed and manufactured to secure the horn antenna. Directionality and gain measurements at different frequencies were conducted in an anechoic chamber using the produced measurement setup. It has been observed that when errors occurring during production and assembly activities are disregarded, the measurement results are consistent with the simulation results.