Uydu haberleşmesi için yeni dizi anten tasarım yöntemleri

Sıkışık geo orbital kaynaklardan gelen girişimlerin azaltılması açısından daha iyi alım performansı sunmak için yüksek yönlendiricili veya dar demete sahip antenlerin kullanılması uydu haberleşmesinde tercih edilir. Girişim kaynakları genelde yakın uydular, yakın diğer yer istasyonları veya yakındaki mikrodalga kuleleri olabilirler. Sonuç olarak, bu istenmeyen kaynaklardan gelen bozucu girişimleri en az seviyeye indirmek amacı ile yüksek yönlendiricilik, dar demet ve düşük yan lob seviyesi elde etmek için son on yıllar boyunca yüksek sayıda eleman içeren dizi anten çözümleri geliştirilmiştir. Ancak, çok tercih edilen mikroşerit antenlerde, uzun mikro şerit hatların kullanımı, çok sayıda eleman içeren dizilerin tasarımında neredeyse imkansız kılmaktadır. Öte yandan, güç paylaşım devrelerindeki çok sayıda güç ayırıcının kullanılması izolasyon kaybının artmasına, bant genişliğinin sınırlandırılmasına ve boyutun büyümesine neden olmaktadır. Bu nedenle, besleme devresinin iyileştirilmesi, kısaltılmış şerit hatlarına sahip olmak için veya güç bölücülerin sayısını düşürmek için yeni bir çözüme ihtiyaç duyulmaktadır. Seri beslenen ağ sistemi, tüm tasarımlarda ideal bir yöntem olmamasına rağmen, güç ayırıcıların sayısını ve iletim hatlarının uzunluğunu azaltmak için önerilen yöntemlerden biridir. Diğer yöntemler arasında, maliyet etkin olmayan, aynı zamanda dizi anteninin boyutunda genişlemeye yol açan ama besleme ağı kaybını azaltan kılavuzlarının kullanımı da bulunmaktadır. Tabana entegre olmuş dalga kılavuz yaklaşımı, aynı zamanda küçük boyutlara sahipken, kayıpları azaltmada etkili bir yöntem olarak önerilmektedir. Ama, yine de uygun maliyetli bir yöntem değildir. Dar demetli yönlü antenlerin yanı sıra, girişimlerin üstesinden gelmek için sadece yan lob seviyesini optimize eden tekniklerde önerilmiştir. Bazı tasarımlarda yan lob seviyesini azaltmak için, elemanlar arası eşit olmayan aralık kullanımı önerilmektedir. Simetrik dairesel anten dizisi (CCAA) ve eşit aralıklı olmayan küresel diziler de, yan lob seviyesi küçültülmektedir. Optimize edilmiş dizi tanımlamak için ayrı incelemlerde yapılmaktadır. Genetik Algoritmalar (GA) gibi algoritmalarda, yan lob seviyesinin bastırmasına yol açan etkili yöntemler olarak önerilmiştir. Ancak, bu tasarımlardan bazıları yan lob seviyesinde sınırlı bir iyileştirmeye neden olabilmektedirler. Buna ek olarak, bazı yöntemler, istenilen yan lob seviyesini sınırlı sayıda elemanlı diziler için önerilmiştir. Gerçek Kodlamalı Genetik Algoritma (RCGA) kullanan diğer yöntemler ise, standart diziden daha büyük bir dizi boyutuyla sonuçlanmakta ve bu da dezavantaj olarak değerlendirilmektedir. Antenin boyutları da fazla sayıda araştırmaların ve çalışmaların konusu olmuştur. Şekillenmiş mikro şerit yapılı (DMS) veya şekillenmiş toprak yapılı (DGS) yöntemlerin kullanılması önerilmiştir. Ancak, bu tasarımlar verimliliğin düşmesine neden olmaktadır. E-şekilli bir DGS dizi anten, boyutları küçülmüş, ancak optimum verimliliğe sahip olması için önerilmektedir. Buna rağmen yüksek sayıda olan dizilerde arzu edilen bir yöntem olmamaktadır. Diğer tekniklerden bir örnek olarak, uydu uygulamaları için yapay manyetik malzemeler kullanarak minyatür dizi anten çözümleri önerilmektedir. Fakat maliyet açısından etkili bir yöntem değildirler. Sonuç olarak, bu tezin ana amacı, daha pratik ve az maliyetli yüksek yöneltilebilirlik, düşük yan lob seviyesi, etkili besleme ağı ve daha küçük boyutlara sahip olan yeni dizi anten tasarım yöntemlerini belirlemektir. Bir dizinin ışıma karakteristikleri, eleman anteninin ışıma modeline ve dizilim faktörü olarak tanımlanmış olan dizi geometri konfigürasyon, toplam dizinin nispi yer değişimi ve beslenme devresine bağlıdır. Mevcut tasarım tekniklerinin çoğu, eleman antenlerin kabiliyetini ihmal edip dizi faktörünü optimize ederek gerçekleştirilir. Bu tezin 4. bölümünde, özel eleman antenlerinin farklı kombinasyonları kullanılarak dizi tasarımında üç yeni yaklaşım önerilmiştir. Mevcut tasarım yöntemleri ile karşılaştığında, yeni önerilen yöntemler, hem dizi faktörünün hem de eleman faktörünün ikisinide birbirine göre etkin kullanımlarına dayanmaktadır. Sonuç olarak, küçük açıklıklı, az kayıplı besleme veya dar demetli dizi antenleri üç farklı yeni yöntem kullanılarak tasarlanmıştır. Bu nedenle, dalga kılavuzu beslemeli diziler gibi diğer tasarımlarla karşılaştırıldığında, önerilen teknikler, imalat maliyetleri ve tasarım basitliği açısından daha pratik bir sonuç vereceği görülmüştür. Üç farklı önerilen yaklaşım ayrıntılı olarak incelenmiştir. Bütün yaklaşımların doğruluğu teorik hesaplamalara dayanarak teyit edilmiştir. Teorik çalışmaların yanı sıra, Ansoft HFSS simülasyonları kullanılarak birinci yaklaşımın (bölüm 4.1) ve üçüncü yaklaşımın (bölüm 4.3) sonuçları gösterilmiştir. Bununla birlikte, Bölüm 4.2'de sunulan yönteme dayanarak bir anten dizisi üretilmiştir. Tezin 5. bölümünde Binom dizilerinin yönlendiricilik parametresini hesaplamak için bir yeni yöntem gösterilmektedir. Önerilen yöntemlerin bir özeti basitçe açıklanmaktadır. Ku bant uydu teknolojisi, iletişim dünyasında kritik bir rol oynamaktadır. İnternet erişimi ve TV yayıncılığı gibi farklı uygulamalar Ku bant kullanan hizmetlerin örneğidir. Bu tezde önerilen prototip antenler Ku band frekanslarının aşağı bağlantı aralığında kullanılmak üzere doğrusal polarizasyonlu alıcı olarak tasarlanmıştır. Bu araştırmada, Ku band uydu iletişim sistemleri için aşağı bağlantı olarak tahsis edilen 10.7 GHz ila 12.7 GHz (10-18 GHz arasında) aralığı, dikkate alınmıştır. Bu tezin 4.1 bölümünde, istenilen yönelticilik özelliğine sahip olan ama mevcut tasarımlarda kullanılan yöntemle karşılaştırıldığında, daha küçük açıklık ile dizili anten tasarlamak için yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu tasarım yaklaşımı, iki elemanlı dizi yapısında etkin bir şekilde gösterilmiştir. İki elemanlı bir dizide eleman aralığını λ'dan λ/2'ye indirgemek geniş bir demet açısına neden olurken, ancak ortaya çıkan demetin yan lobları yoktur. Sonuç olarak, tek dar loblu bir demet elde etmek için, daha dar bir ana lob ve herhangi bir başka yönde muhtemel yan lobları olan bir demete sahip olan özel bir eleman anten kullanılabilir. Ardından, bu yaklaşım, küçük eleman aralığıyla çok sayıda eleman içeren dizileri tasarlamak için geliştirilebilir. Yöntemin doğruluğu, Ansoft HFSS yazılım simülasyonları kullanılarak gösterilip ve incelenmiştir. İkinci yeni yaklaşım (bölüm 4.2), düşük kayıplı bir dizi anten tasarlamak için bir yöntem önermektedir. Aynı demet açısı, geleneksel λ eleman aralığı sınırı ile tasarıma kıyasla eleman sayısının yarısı ile 2λ eleman aralığı kullanılarak elde edilebileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak, mikro şerit dizilerindeki eleman sayısının azaltılması, uzun besleme hatları tarafından yapılan kayıpların ve güç bölücülerin izolasyon kaybının azalmasına neden olmaktadır. Ayrıca, daha büyük eleman aralığı kullanılarak komşu elemanlar arasındaki kuplaj etkisi de azalmaktadır. Ancak, yöntemin yarattığı ek lobları kaldırmak için bir yüksek yönlendiricili eleman anteninin kullanımına ihtiyaç duyulmaktadır. İstenilen yüksek yönlendiricili eleman anten için çözüm önerilerek benzetimi yapılmış ve baskı devre ile elde edilen prototip ölçülerek tasarım ile karşılaştırılmıştır. Ardından, 2λ eleman aralığına sahip olan ve bu yönteme dayanılarak bir prototip dizi anteni simüle edilip ve bastırılmıştır. Yöntemi doğrulamak için prototip antenin ölçülmüş S11 parametresi ve ölçülmüş ışıma karakteristikleri sunulmaktadır. Bölüm 4.2'deki sonuçlar, bir dizinin demet açısının dizinin açıklık uzunluğu tarafından belirlendiğini teyit etmektedir; dizi demet genişiliği daha net bir şekilde dizinin uçlarına doğru yerleştirilen elemanlarla belirlenmektedir. Sonraki sonuçlar, bu ek iç elemanlar, yan lobların kaldırılması için çoğunlukla etkili olduğunu ve demet açısında ihmal edilebilir bir etkiye sahip olduğunu doğrulamaktadır. Bu nedenle, iç elemanların dizinin uçlarına doğru yerleştirilmesi, demet açısı iyileştirmeyi amaçlarken bu yöntem yan lobları deforme olmasına yol açmaktadır. Uydu haberleşmesi uygulamaları gibi bazı durumlarda ana lobun demet açısı yan lob seviyesinden daha fazla etkili bir parametre olması nedeniyle, bu yöntem en istenilen çözümü oluşturan yeni bir yaklaşım yöntemi oluşturacaktır. Sonuç olarak, doğrusal diziyle karşılaştırıldığında kabul edilebilir yan lob seviyesi ile daha dar bir demet açısı elde etmek için bölüm 4.3'te yeni bir doğrusal olmayan dizi tasarımı sunulmuştur. Bu tezin 5. bölümünde, uydu iletişimi uygulamaları için avantajlı olan dizi antenleri üzerinde yapılan 4. çalışma sunulmaktadır. Bununla birlikte, Bölüm 4'teki yöntemler küçük boyutlar, verimlilik ve demet açısı açısından iyi sonuçları teyit etmektedir. Ancak, yüksek yönelticilikli bir antenin girişimi bastırma kalitesi yan lob seviyesi ile tanımlanmaktadır. Bu amaca yönelik en uygun yaklaşım Binom dizisi olduğu için Binom dizilerinin incelenmesi Bölüm 5'te sunulmuştur. Binom dizileri, merkez elemandan kenarlardaki elemanlarına kadar düzgün azalan genlik dağılımına bağlı olarak olumlu şekilde düşük yan lob seviyesini elde edilebileceğini göstermektedir. Diğer avantaj olarak, eleman aralığı λ/2'ye eşit veya daha küçük olan binom dizileri yan loblara sahip değildirler. Ancak, λ/2 aralığı haricinde, eleman aralığında herhangi bir kısıtlama olmaksızın, binom dizileri için dizi faktörü ve yönlendiricilik parametresi için kompakt ifadeler mevcut değildir. Bölüm 5'te, binom dizilerinin dizilim faktörü ve yönlendiricilik parametresi için kompakt ifadeler türetmek için yeni bir yöntem önerilmiştir. Binom dizisinin besleme katsayılarının dayandığı ve dağılmış olduğunu gösteren Pascal üçgeninin özellikleri kompakt ifadeleri elde etmek için kullanılmıştır. Bir N elemanlı binom dizisinin besleme katsayılarının, iki elemanlı binom dizisinin bir (N-2) konvolüsyonu olarak ifade edilebileceği gösterilmiştir. Daha sonra, binom dizisinin tümünün dizi faktörü ve yönlendiricilik parametresi, Fourier dönüşümü özelliklerini kullanarak elde edilmiştir.