Aktif faz dizili radarlar için X bant Vivaldi anteni tasarımı ve üretimi

Abstract

Faz dizili radarlar, günümüzde insansız hava araçları, hızlı tarama sistemleri gibi oldukça geniş uygulamalarda yer almaktadır. Bu aşamada, elektromanyetik dalgalar anten mekanik olarak hareket ettirmeden, elektronik olarak faz açısının değiştirilmesi yardımıyla yönlendirilir. Sistem mekanik bir eleman yerine elektronik düzenek aracılığı ile yönlendirildiği için oldukça hızlıdır. Bu da faz dizili radarları önemini artırmaktadır. Faz dizili radarlar aktif ve pasif olmak üzere ikiye ayrılırlar, aktif faz dizili radarlar, her bir anten elemanının ayrı bir yönetici ünitesi ve control sistemi olduğu yöntemdir ve bu yöntem pasif sistemlere göre daha maliyetli olmasına karşın daha etkili çalışmaktadır. Tez çalışmasının motivasyonu, aktif faz dizili radarlarda kulanılabilecek bir yönlü anten tasarlamaktır.Yönlü antenler özellikle son yıllarda, mikrodalga görüntüleme, uzaktan algılama, radar uygulamalarında fazlasıyla yer almaktadır. Konik oluklu antenler, yönlü antenlerin geniş bir dalgaboyu aralığına uyarlanabilen bir yönlü anten türüdür. Konik oluklu antenler ailesinin eksponansiyel konik oluğunun açıldığı anten türü ise Vivaldi antenler olarak isimlendirilmektedir. Vivialdi antenler, geniş bant, hatta ultra geniş bant aralığındaki uygulamalarda kullanılabilir. X Bant Vivialdi Anteni Tasarımı ve Modifikasyonları isimli bu tez çalışmasında iki adet ultragenişbanlı Vivaldi anteni tasarlanacaktır. Tasarım çalışmasına giden yolda geniş bir literatür taraması yer almaktadır. Literatür taramasının ardından, biri referans diğeri de modifiye anten olmak üzere iki adet eksponansiyel konik oluklu anten tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan konik oluklu antenler düzlemsel konfigürasyona sahiptir. Tasarlanan referans ve modifiye antenin, ultra geniş bantta faaliyet gösterebilmesi için hesaplamalar gerçekleştirilmiştir ve bu hesaplamalar doğrultusunda boyut, konik açıklığı gibi değerleri elde ederek, CST programında antenin üç boyutlu tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan modifiye anten ise, eksponansiyel konik oluklu antenin toprak yüzeyinde modifikasyon yapılmış versiyonudur. Yönlü antenlerin kullanımında empedans eşleşmesi, direktivite, kazanç ve bant genişliği önemli parametrelerdir ve modifiye antende bu parametrelerden bir ya da birden fazlasının iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Anten yüzeyine açılan kaviteler ve olukların, antenin uç noktalardaki gerçekleştirilmiş kazanıcını iyileştirdiği saptanmıştır. CST programında yapılan simülasyonlar ile optimum geometrideki antenler seçilip, üretime hazırlanmıştır. Uygun substratın belirlenmesi ve CST'de tasarlanan ürünün PCB üretimine hazırlandı ve üretim süreci gerçekleştirilmiştir.Üretimin tamamlanmasının ardından ağ analizörü yardımıyla, S11 parametreleri ölçülmüştür. Simülasyon sonuçları ile ölçüm sonuçları karşılaştırıldığında 0.25 GHz'lik bir kayma yapmasının dışında, S11 parametreleri grafik deseni olarak uyumlu görülmektedir. Modifiye edilen antenin, tasarlanan referans antene göre, bant genişliğinin uç frekans noktalarında gerçekleştirilmiş kazancının arttığı simülasyon sonucunda gözlemlenmiştir. Genellikle radar uygulamaları başta olmak üzere literatürde çeşitli genişbant uygulamaları yer almaktadır. Özellikle açıklıklı radar konseptinin keşfedilmesinin ardından çok fonksiyonlu, genişbantlı yönlü antenlerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuşur ve konik oluklu antenler bu ihtiyacı karşılayan anten ailesinin bir üyesidir.Bu çalışmanın sonucundan yola çıkılarak, gerek anten optimizasyonu gerek simülasyon koşulları gerekse üretim koşulları ilerletilip 8x1'lik dizi yapılması hedeflenmektedir. Ayrıca üretilecek antenlerin faz dizili radarlarda kullanılması da tezin başlangıç motivasyonudur.

In recent years, directional antennas gain popularity in remote sensing, radar applications and microwave imaging subjects. Tapered slot antennas are one of the beneficial antenna type for wideband applications in the directional antennas. Vivaldi antennas are member of the tapered slot antenna family and its special name comes from its exponential shape of Violin. Not only wideband, but also ultrawideband characteristics make Vivaldi antennas priority preference. Thesis which is named `Desing and production of X band vivaldi antenna for active phased array radar applications` gives a design and modification of two ultrawideband Vivaldi antennas. During the design phase, in-depth literature scanning was performed. – As a result of this investigation, two kinds of antenna were designed and produces as reference and modified exponentially tapered slot Vivaldi. –Both antennas have planar configuration.Phased array radars are composed with more than one antennas and phase shifter electronics; Radiation patterns are emitted with signals which have different phases from each antenna. As a result of this constructive and destructive interferences are occurred and it causes steering of total radiation. Phased array antennas provide steering ability of the antenna beam electronically in order to using mechanical systems because of the high speed of electronic steering.Identical n-piece of antennas are placed with the same distance between each other. In transmitting mode, all of antenna elements radiates the same amplitude but different phased signals. The main system is produced with identical and different phased feeding function.Main radiation always steers towards the direction of the phase shift. If phase of the radiated signal can be changed continuously, total beam can be adjustable electronically. Radiation pattern of phased radars depends on, dimension of array and configuration of array. When antenna feeding is completed, there will be occurred steering of radiation beam. The intensity of signal density at the steered point will be more than the other regions.Phased array radars are composed with more than one antennas and phase shifter electronics; Radiation patterns are emitted with signals which have different phases from each antenna. Constructive and destructive interferences are occurred and they cause to steer of total radiation. Phased array antennas provide to steer antenna beam electronically in order to using mechanical systems because of the highspeed of electronic steering. In this thesis, fundamental introduction will provide for understanding general concept of phased array radars and its variations. The aim of explaining the phased array radars gives perspective for selection of antenna for phased array system.The main part of the phased array system is useful, and goal focused antenna. After determination of design goals, in order to produce ultrawideband characteristics, geometrical calculations were performed before simulation. After calculations, three dimensional design created on CST with using taper opening, antenna width, antenna height and microstrip feeding dimensions.Designed modified antenna is a processed version on ground side of exponentially tapered slot antenna.During design process of directional antennas, directivity, impedance matching, realized gain, bandwidth are distinctive parameters. Moreover, the aim was to perform improvements one or more parameters of modified antenna.Cavities and slots on ground face of antenna make growth in realized gain at the end points of bandwidth.CST simulations were performed until the best result was found. After simulation process, antennas which are optimum geometries were chosen and prepared for production. Appropriate substrate was determined and PCB fabrication was performed at The Scientific Research Council of Turkey, Informatics and Information Security Research Center, National Electronic and Cryptology Research center laboratories.After fabrication and feeding connections was completed, S11 values are measured at Agilent network analyzer. When simulation results and measurement results were compared, it could be seen that, 0.25GHz frequency shift. However, graphical patterns of S11 values of fabricated and simulated antennas mostly compatible.The other measurement was performed in the Antenna Technologies Research Center in TUBITAK. Spherical near field measurement system was used for creating radiation pattern of antennas, this system calculates gain, directivity and the many other parameters. Near field measurement system calculates radiation pattern in the near field region, however results can be converted into far field values using Maxwell's equations.Measurements was plotted with using MATLAB EWA toolbox. This toolbox can be used for creating visual graphs. 3D plots, polar plots and smith chart are some of application area of this toolbox.When calculation step was completed, it was started to prepare comparison results of reference antenna and modified antenna at the one side. The other side, difference between simulation results and measurement results was discovered.At the first, when measurement results of reference and modified antenna were compared, gain values and directivities increase at the beginning frequency and end frequency. There was no major difference for center frequency. Additionally, azimuth and elevation plots of antenna gives better directivity results for modified antenna. The same situation is valid for center frequency.Second point of view of this antenna is related about comparison of measurement and simulation results. There were many parameters affecting measurement setup, however it can be said that consistent gain values discovered at 8GHz. However, there was small deflection at 10GHz and 12GHz frequency. Finally, it can be said that, the starting goal of design and simulation was achieved. All of gain parameters was higher than 4 dBi. Tapered slot antennas, takes a huge place of wideband applications especially Radar applications. After the investigation of aperture radars, multifunctional, wideband directional antennas gain importance. Tapered slot antenna family meets the needs, and Vivaldi antennas are member of this family. Result of this work is a point of creating 8x1 Vivaldi array with its optimizations and fabrication improvements. After this work, this system will be the part of active phased Vivaldi array and this was the first step for this achievement.