Low-cost microstrip patch array antenna for X band satellite applications

Abstract

Uydu haberleşmesinde temel olarak kullanılan VSAT(Very Small Aperture Terminal) sistemleri ile yapılan çalışmalar, 1960'lardan günümüze kadar devam etmektedir. İlk geliştirilen VSAT uydu modelleri askeri alanlarda kullanılmaya başlanmış daha sonra yapılan geliştirmelerle sistem ticari amaç için kullanılmaya uygun hale getirilip bu yönde kullanılmaya başlanmıştır. VSAT uydu sistemleri üç temel bileşenden oluşmaktadır. Yer terminali, yeryüzü istasyonu ve uydu, bu bileşenlerin ana isimleridir. VSAT haberleşme sistemlerinde bulunan, uydu ile yer istasyonlarının arasında haberleşmek için kullanılan anten modeli, genellikle yüksek kazanca sahip olduğundan ötürü parabolic reflektör anten olarak tercih edilir. Parabolik antenlerin VSAT uydu sistemlerinde kullanılmasının en önemli avantajı, haberleşmede kullanılan elektromanyetik dalgaları dar bir demetle hedefe yönlendirmek ya da sadece hedeften gelen dalgaların en düşük kayıpla alınmasını sağlamasıdır. Bu antenlerin en büyük dezavantajları ise kullanılan frekansa ve istenilen kazanca göre boyutlarının devasa büyüklüklere ulaşabilir olması, taşınabilir sistemlerinin de motorlu ve çok daha karmaşık yapıya sahip olmasından dolayı üretimlerinin çok yüksek maliyetlere ulaşıyor olmasıdır. Bu tezde geliştirilen antenin temel amacı ise, taşınabilirliği artırmak küçük boyutlu ve ince olmasını sağlamaktır.VSAT uydu haberleşme sistemlerinde yaygın olarak L-band(Yükleme:1.6 GHz, İndirme:1.5 GHz), C-Band(Yükleme:5.925-6.425 GHz, İndirme:3.7-4.2 GHz), X-band(Yükleme:7.9-8.4 GHz, İndirme:7.25-7.75 GHz), Ku-band(Yükleme:14 GHz, İndirme:10.9-12.75 GHz), Ka band (Yükleme:26.5-40 GHz, İndirme:18-20 GHz) frekans bandları kullanılmaktadır. Temel olarak antenler verici, alıcı ve hem verici hem alıcı olarak üç farklı tasarıma sahiptir. Bu tezde tasarlanan antenin hem alıcı hem verici olarak çalışması amaçlanmıştır.Bu tasarımda frekans bandı aralıkları X bandına uygun olarak seçilip, antenin askeri amaçla kullanımı hedef alınmıştır. Tez çalışmasında, hedeflerimiz doğrultusunda daha önceden tasarlanmış anten yapıları incelenmiş ve kullanılmış olan malzemeler araştırılmıştır. Amaçlarımızdan biri olan sistemin en ucuz olması fikri için mikrostrip yama anten tasarımı yapılması hedeflenmiş ve FR-4 dielektrik malzeme seçilmiştir.Bu tezde geliştirilen antenin tüm analiz, tasarım ve optimizasyon çalışmaları CST Studio Suite programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları, S11, giriş referans direnci, uzak alan simulasyonlarında kazanç ve yönelme parametreleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu çalışma kapsamında hedeflenen X band frekans aralığı için S11 parametresinin düşme değerinin minimum -10 dB olması hedeflenmiştir. Tez süresince dört adet birbirinden farklı tasarım üzerinde çalışılmıştır.Birinci tasarımda, papyon(bow-tie) anten ismiyle bilinen yapının mikrostrip bir yapıda FR-4 dielektrik malzemesinin üzerine uygulanarak istenilen X-Band frekans bandını kapsamaya çalışılmıştır. Literatür taramalarından elde edilen bilgilerde, çift kutuplu(dipole) antenlerin, kutuplarındaki iletken yüzeylerinin genişletilmesiyle band genişliklerinin arttığı tespit edilmiş olup, bu geliştirme ile papyon anten tasarımının ortaya çıktığı bilinmektedir. Tasarım sonucunda antenin seçilmiş olan X Band 7.25 GHz ve 8.4 GHz frekans bandları aralığında olmadığı, sadece ortalama 7.36GHz ile 8.07GHz aralığında -10dB nin altına düşdüğü gözlemlenmiştir. Bunun sonucunda elde edilmiş olan en iyi tasarımın farklı boyutları ile bir hibrit dizi yapıya dönüştürülerek farklı frekanslarda da çalışabilir olması amaçlanmıştır. Bu tasarım sonuçlarıda beklediğimiz S11 sonucuna ulaşılamadığı ve antenin çok karmaşık bir yapıya dönüşmeye başladığı için, yeni bir tasarıma geçmek bu sorunun çözüm kaynağı olmuştur. İkinci tasarımda, mikrostrip papyon yama anten tasarımını baştan alarak nasıl bu tasarımın band genişliğini nasıl daha arttırabiliriz sorusuna cevap aranmaya başlandı. Bu tasarımın iyileştirilebilmesi için besleme kısmına doğrudan dokunmalı bağlantı yerine yakınlık eşleşmesi(proximity coupling) özelliği kullanılarak tasarım yeniden düzenlendi. Bu tasarımın ulaştığı frekans aralığı 7.25GHz den 8.26GHz e kadar -10dB nin altına inerek bizi amacımıza yakınlaştırdı. Fakat antenin ışıma desenine baktığımız zaman, ışıma yönünün antenin arka tarafında da oluştuğu gözlemlendi. Bu istenmeyen bir durum olduğu için tasarımı tamamen değiştirme kararı alındı.Üçüncü tasarım, literatür taraması sonucunda mikrostrip kare antenlerinde geniş bandlı olarak tasarlanabileceği ve ultra geniş band(UWB) destekleyen anten ile ilgili olan çalışmalarda bulunan tasarımların incelenmesiyle çalışılmaya başlandı. Çalışma sonucunda istenilen S11 parametresindeki X-band frekans aralığı, tasarlanan bu anten ile 7.25GHz üzerinde -14.5dB, 8.4GHz üzerinde -15dB olarak, -10dB nin altına düşmeyi başardı. Fakat -10dB nin altına düştüğü bölge 6.87GHz ten 9.33GHz e kadar olduğu için, bu tasarlanan antenin istenmeyen bölgelerde çalıştığını gösterdi. Sonuç olarak X-band üzerinde çalışıp, diğer sinyalleri almak istemezsek bir de filtre tasarımına ihtiyacımız olacağı anlaşıldı. Uzak alan simülasyonu sonucunda oluşan ışıma deseni antenin yüzeyinde oluşmayıp yan tarafından iki ayrı lob olarak oluştuğu görüldü. Bu durum antenin kazancını düşürdüğü gibi, anteni kullanabilmek için dik konuma getirmemiz gerekiyordu. Dik konuma getirilen anten, kazancı arttırmak için dizi haline dönüştürüldüğünde, çok yer kapladığından ürün haline gelecek olan bu antenin ince tasarım ve taşınabilir olmasının önüne geçiyordu. Bu sorunu göz önünde bulundurarak, tasarımımızın yeniden değiştirilmesi gerektiği kararlaştırıldı.Dördüncü tasarım, en temel yapı olan mikrostrip kare yama anten tasarımı ele alınarak yeniden çalışılmaya başlandı. Bu yapının tercih edilmesinin ana sebebi, antenin çalışması sırasında oluşan ışıma deseni, yamadan yukarıya doğru lineer polarizasyonla oluşuyordu. Bu ince yapılı anten tasarımı için istenen bir durum olmasına rağmen, anten dar band olarak çalışıyordu. Daha önceki tasarımda uyguladığımız yakınlık eşleşmesi(proximity coupling) özelliğini bu tasarıma da uygulanmasına karar verildi. Bu çalışmalar ile oluşturulmuş olan tasarımın S11 simülasyon sonuçları tam 7.25 GHz üzerinde -10.7 dB, 8.4 GHz üzerinde -10.1 dB ye ulaşarak tam istenilen hedef tutturulmuş oldu. Antenin uzak alan simulasyonu sonucunda oluşan ışıma deseni lineer polarizasyonla oluşurken, bu yapıyı dairesel polarizasyona çevirmek için çalışma yapılmaya başlandı. Yama kısmında bulunan karenin, iki çapraz kenarından kesilen üçgen parçacıklar ve besleme noktasının geriye çekilmesiyle oluşan ışıma deseninin dairesel polarizasyon olarak ışıma yapmaya başladığı gözlemlenmiştir. Bu tasarımın sonucunda antenin, dünyanın yer yüzeyinden bir uydu ile haberleşme yapmasını beklediğimiz için, kazancın oldukça yüksek olması gerekiyordu. Bu tasarımda kazancı arttırabilmek için tasarlamış olduğumuz hücre yapıyı bir dizi formatına getirmeye karar verildi. Bununla birlikte en temel problem olan gücün nasıl bölüneceği sorunu ortaya çıktı. Literatürde yapılan araştırmalara göre Wilkinson Power Divider ve Corporate Feed Network isimli iki farklı metod bu sorun için çözümler sunuyordu. En başta belirlenen hedeflerden biri olan en ucuz anten olması gerektiğinden ötürü Wilkinson Power Divider metodundan vazgeçildi. Çünkü bu metod gerçeklenmesi sırasında ekstra direnç gibi pasif malzemelere ihtiyaç duyuyordu. Bu tez tasarımında tercih edilen corporate feed network çözümü, anten üzerine ilk olarak 4 lü yapıyı bir araya getirmek için uygulandı. Daha sonra bu çözümü 8 li yapı ve son olarakta 16 lı yapı takip etti. Array yapısında bulunan antenlerin artması kazancımızı arttırdı. Fakat, anteni üretip pratikte ölçümünü yaparak, teorik ve simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırmamız gerektiğine karar verildi.Üretimden sonra elde edilip pratikte ölçülen sonuçlar ile simülasyonda elde edilmiş olan değerlere yakın sonuçlara ulaşıldı. Oluşan sonuç değerleri üzerindeki farklar, üretimden kaynaklı olarak özellikle çift katlı pcblerin ön ve arka yüzeylerinde oluşan metal yoğunluğu farkı ve lehim kaplama yapılırken, yüksek ısıya maruz kalmasından dolayı oluşan eğrilmelerinden ötürü kaynaklandığı gözlemlenmiştir. Çünkü ölçüm sırasında PCB el yardımıyla düzeltildiğinde, sonuçların simulasyona yakın oluştuğu ölçülmüştür.Bu tez için oluşturulan, ucuz ve taşınabilir olması hedeflenerek gerçekleştirilmiş mikrostrip yama anten tasarımı, hem teorik olarak, hem de pratik olarak birbirlerini karşılayan sonuçlar ortaya çıkarmış ve tez başarıyla sonuçlanmıştır.

In this thesis, the aim of the design a microstrip patch array antenna that operate between 7.25 GHz and 8.4 GHz frequencies for VSAT satellite communication so VSAT structure and array antenna structures which are used and designed in the literature are examined in detail. The bow tie antenna has been studied as the first design can produce broadband results. S11 parameter was expected to be at least -10 dB in the desired frequency range, but the result was observed as -7 dB. Therefore, this design was decided to be completely replaced. In order to obtain a better result in the desired frequency range S11 parameter, a new design has been obtained by applying the `proximity coupling` method which is used for this purpose in the literature. But this method is not allow us to reach the desired results. After these results, due to the complexity of bow tie antennas, it is decided to design a microstrip square patch antenna which is easier to design in the literature rather than this type of antenna. It was observed that the results were better than the previous designs in the S11 parameter values in the desired frequency range. In the antenna structures designed in the literature, the radiation patterns occur in the middle of the antenna. However, the main problem in this design is that the pattern of radiation is exposed in the upper right lobe and upper left lobes of the antenna. This design should be positioned vertical in the area used for realization and use. However, in order to increase the applicability of the design, horizontal positioning is of great importance so improvement of this design has been abandoned. In the final stage of the thesis study, microstrip square patch antenna which is the basic structure was designed with the addition of a proximity coupling system to operate in the desired frequency range. This latest design has a radiation pattern in the center of the antenna and operates in the desired frequency range in the X-band. The desired radiation pattern is reached at the desired frequencies so it has began study to increase the gain. In order to increase the gain, the array antenna design was replicated. Four, eight and sixteen patch array antenna designs were realized, respectively. The desired results were successfully reached by the simulation on CST software.