A dual-band frequency selective surface design for satellite applications

Abstract

Uydu haberleşmesi ile ilgili çalışmalar uzun yıllardır devam etmektedir. İlk olarak askeri alanda kullanılan uydular geliştirilmiş daha sonra ticari amaçlı uydular da kullanılmaya başlanmıştır. Uydu sistemleri üç ana birleşenden oluşmaktadır. Bu birleşenler bir yeryüzü istasyonu, yer terminali ve uydu olarak sınıflandırılabilir. Uydular yük (Payload) ve yol (Link) olmak üzere iki bileşenden oluşurlar. Yük bileşeninde antenler, alıcılar ve vericiler bulunurken, yol bileşeninde durum denetimi, sıcaklık denetimi, sıcaklık ve telemetri sistemleri (bir haberleşme ağı ile sistemlerin uzaktan kablosuz izlenmesi) bulunur. Uydu haberleşme sistemlerinde, yer istasyonlarının uydu ile yeterli güçte haberleşebilmesi için yaygın olarak tercih edilen anten modeli reflectör antenlerdir. Uydu uygulamarında tercih edilen reflector anten çeşitlerini `parabolik antenler`, `cassegrain antenler` ve `offset parabolic antenler` olmak üzere üç grup altında toplayabiliriz. Parabolik antenlerin kullanılmasının en önemli avantajları radyo dalgarının dar bir ışınla yönlendirmek ya da sadece belli bir yönden dalgaların alınmasını sağlamaktır. Diğer bir avantajı ise dar bir ışın demeti genişliği üreterek daha yüksek kazanç sağlamalarıdır.Reflektör antenler besleme ve reflektör olmak üzere iki kısımdan oluşur. Besleme kısmı elektromanyetik dalga kaynağını oluştururken, reflektör kısmı antenin kazancını sağlamaktadır. Son zamanlarda, reflektör anten tasarımlarında iki besleme noktasının arasına yada bir besleme noktasının arkasına yerleştirilecek şekilde frekans seçici yüzeyler kullanılmaya başlanmıştır. Frekans seçici yüzeyler frekansa göre değişebilen iletim ve yansıma özellikleri gösteren yapılardır. Bu yapılar bir dielektrik yüzeye yerleştirilerek periodik iletken yama veya açıklıklar şeklinde tasarlanır. Frekans seçici yüzeyler anten ve mikrodalga alanında bir çok uygulamada kullanılmaktadır fakat uydu uygulamalarında kullanımı son bir kaç yıla dayanmaktadır. Uydularda bulunan reflector sayısını azaltmak, uydunun ağırlığını azaltabilmek ve son olarak maliyeti düşürebilmek için bu yapıların tasarımları üzerine çalışmalar başlamıştır. Frekans seçici yüzeyler birden fazla frekans karakteristiğine sahip olarak tasarlanabilir, aynı zamanda tasarlanan frekans seçici yüzeylerin frekans aralığı ihtiyaca uygun olarak belirlenebilir. Bu sebeplerden dolayı uydu teknolojilerindeki hızlı gelişmeler ve haberleşme alt yapısının zamanla değişmesi frekans seçici yüzeylere olan ihtiyacı arttırmaktadır.Uydu haberleşme uygulamalarında Ka bant (26.5- 40 GHz), Ku bant ( 12- 18 GHz) ve X bant (8-12 GHz) frekans bantları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında Ku bandında 14.1-16 GHz , Ka bandında 29.2-36.8 GHz ve X bandında 8- 12 GHz frekans aralıkları kullanılmak üzere seçilmiştir. Tez çalışması kapsamında amaca uygun bant durdurma karakteristiğine sahip bir yüzey malzemesi belirlenen hedef frekanslar seçilerek tasarlanmıştır. Bu tez çalışmasında, ilk olarak uydu uygulamalarında kullanılan anten yapıları incelenmiş, frekans seçici yüzey geometrileri araştırılmıştır. Tasarım aşamasında literatürde de en çok kullanılan yöntem olan eşdeğer devre yönteminden yararlanılmıştır. Analiz, optimizasyon ve tasarım çalışmaları Ansoft HFSS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları S11(yansıma katsayısı) ve S21 (iletim katsayısı) parametreleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu çalışma kapsamında hedeflenen frekans bantları durdurulduğunda yüzey malzemesinin S11 parametresinin maksimum -3 dB , S21 parametresinin ise minimum -10 dB olması hedeflenmiştir. Bu tez çalışmasında üç farklı tasarım üzerinde çalışılmıştır. İlk olarak basitlik açısından sadece Ka bandında birden fazla rezonans bölgesinde bant durdurucu karakteristiğe sahip bir frekans seçici yüzey yapısı tasarımı amaçlanmıştır. Bu iki rezonanslı yapıyı oluşturmak için, hibrit geometriden oluşan iki farklı yapının tek bir katmanda birleşmesi ile literatürden farklı yeni bir FSY yapısı oluşturulmuştur. Önerilen bu frekans seçici yüzey, Ka bantta hedef olarak seçilen frekans aralığında (25.5-27.3 GHz ve 41.8-45.1 GHz) ve 60 dereceye kadarki geliş açılarında frekans durdurma özelliğine sahiptir. Bant durdurma geometrisine sahip bu yapının sonuçları değerlendirildiğinde seçilen iki merkez rezonans değerlerinde (26.5 GHz and 43.5 GHz) iletim katsayısının minimum -20 dB olduğu gözlemlenmiştir.Tez çalışmasının ikinci adımda birden fazla frekans bandında bant durdurma özelliğine sahip frekans seçici yüzey tasarımlarının gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Çok bantlı FSY tasarımlarının ilkinde Ka bandında 38.8 GHz- 41.1 GHz ve X bandında 8 GHz- 12 GHz belirtilen frekans bölgelerinde çalışan bir frekans seçici yüzey tasarımı gerçekleştirilmiştir. Seçilen her iki bant (Ka ve X) aralığı için o bantlara özel geometriler tasarlanmıştır. Simülasyon sonuçları incelendiğinde TE (enine elektrik) ve TM (enine manyetik) modlarında geliş açısına bağlı olarak durdurma bantlarından biri olan Ka bandında her iki modda da yaklaşık olarak 2 GHz kayma meydana geldiği gözlemlenmiştir. TE modunda 0 derece geliş açısında istenilen frekans aralıklarında (X bandı için 8-12 GHz, Ka bandı için 38-41 GHz) tasarlanan FSY yapısı bant durdurucu özelliğe sahipken, aynı modda 15 ve 45 derecede Ka bandında 40.8 GHz – 43.6 GHz aralığında ve 34 GHz- 35.6 GHz aralığında bant durdurucu özellik göstermektedir. TM modunda ise 0 derece geliş açısında istenilen frekans aralıkları olan 8 GHz-12 GHz ve 38 GHz- 41 GHz değerlerinde bant durdurucu özellik gösterirken, 15 derece geliş açısında yaklaşık olarak 1 GHz kayarak 37.8 GHz – 38.9 GHz değerlerinde durdurma özelliği göstermektedir. TM modunda 40 derece geliş açısında ise yine yaklaşık olarak 1 GHz kayma gözlenerek durdurma bandı frekanları 36.4 GHz- 37.2 GHz aralığında gözlemlenmiştir. Bunun nedeni X bandı için tasarlanan geometri yapısının süreklilik gösterirken, Ka bandı için tasarlanan geometrik yapıların minyaturiye şekilde olması ve süreklilik göstermemesidir. Önerilen bu yapı küçük hücre boyutuna, birbirinden bağımsız çalışan iki çalışma bandına ve yüksek seçiciliğe sahiptir. Tasarlanan bu yapıda iletim katsayısı X bant için yaklaşık olarak -40 dB , Ka bant için iletim katsayısı ise yaklaşık olarak -23 dB' dir. Tasarlanan bu frekans seçici yüzey reflektör antenlerde bir alt reflektör yapısı halinde kullanımına uygun olarak tasarlanmıştır. Tez çalışmasının son adımında uydu uygulamalarında reflektör antenlerde alt reflektör olarak çalışabilen, Ku (14.1 GHz-16 GHz ) ve Ka (29.2 GHz-36.8 GHz) bandında band durdurma özelliği gösteren çift bantlı bir frekans seçici yüzey gerçekleştirilmiştir. Bu tasarımda Ku bant sinyallerini yansıtmak için merkeze yerleştirilmiş dört kollu bir yapı tasarlanmıştır, aynı zamanda Ka bant sinyallerini de yansıtabilmek için köşelere yerleştirilmiş iki ayaklı yapılar ve her bir kadrana yerleştirilmiş dört ayaklı yapılar tasarlanmıştır. Önerilen bu yapının hücre boyutu en büyük dalga boyu için `0.2λ x 0.2λ` 'dir. Tasarılanan geometrik yapıların en ideal ölçülerini bulabilmek için literatürde en çok tercih edilen eşdeğer devre modelinden yararlanılmıştır. Bu FSY tasarımında simülasyon sonuçlarında hem S11 hem de S21 parametre değerleri gözlemlenmiştir. S21 parametresinin 0 dereceden 60 derece gelme açısına kadar TE polarizasyonunda Ku bandında minimum -25 dB'in altında, Ka bandında ise minimum -20 dB olduğu gözlemlenmiştir. TM modunda ise hem Ka hem de Ku bandında iletim katsayısı -20 dB' in altındadır. S11 yansıma katsayısı istenilen frekans aralıklarında ( Ka bant için 29.2 GHz-36.8 GHz, Ku bant için 14.1 GHz-16 GHz ) Ka bandında -0.4 dB, Ku bandında maksimum -0.6 dB olduğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar değerlendirildiğinde FSY yapısının absorber olarak değil bant durdurucu olarak çalıştığı açıkça gözlemlenmiştir. Ayrıca, iletim katsayısının TE polarizasyonunda elektromanyetik dalganın geliş açısının artması ile arttığı ve TM polarizasyonunda ise elektromanyetik dalganın geliş açısının artması ile azaldığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada , 35 GHz bandı incelendiğinde 15 GHz bandına göre kararlılığın daha az olduğu görülmektedir. Bunun nedeni ise, 15 GHz için kullanılan geometri yapısı 35 GHz için kullanılan geometri yapılarından boyut olarak daha büyüktür. Bu durum elektomanyetik dalganın geliş açısının geometrik yapıdan etkilendiğini açık bir şekilde göstermektedir. Tasarlanan bu FSY yapıda hücre boyutuna bakıldığında hem küçük boyutta ve minyaturize yapılara sahip olduğu hem de S11 ve S21 parametreleri değerlendirildiğinde bu yapının yüksek seçiciliğe sahip olduğu anlaşılmaktadır. Aynı zamanda TE ve TM modlarında 60 derece geliş açısına kadar kararlı bir yapı göstermektedir.Birden fazla durdurma bandına sahip FSY tasarımlarında istenilen frekans bantlarında bant durdurma özelliği sağlayabilmek için farklı geometriler kullanılır. Bu geometriler birbirine çok yakın olduğu durumlarda ya da çok fazla minyatürize yapılar kullanıldığında farklı frekans bantlarında girişimler meydana gelmektedir. Tez çalışması kapsamında tasarlanan üç yapıda da bu sorunla karşılaşılmıştır. Literatürde bu problemi çözebilmek için çok katmanlı FSY'ler kullanılmış ve her bir katmanda farklı frekans bantları için tasarımlar gerçekleştirilmiştir. Bu durum tasarımın zorlaşmasına neden olmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında çözüm olarak daha minyatürize yapılar kullanılmaya çalışılmış, farklı frekans bantlarına karşılık olarak kullanılan geometriler arası mesafe arttırılmıştır ve çok katmalı yapılar yerine tek katmanlı yapı kullanılmıştır. Böylece tasarımın kolaylaştırılması amaçlanmıştır. Bu çalışmalar ile birlikte optimum parametreleri bulmak için eşdeğer devre modelinden yararlanılmıştır.Tez süresince üç adet birbirinden farklı tasarımlar meydana getirilmiştir. Bu tasarımların üçü de uluslararası konferanslarda sunulmuştur.

Studies in the field of satellite communication have shown a great improvement from past to present. Firstly, satellites used in military field were developed and then commercial satellites were used. Satellite systems consist of three main components. These components can be classified as an earth station, ground terminal and satellite. In satellite communication systems, the antenna model which is widely preferred for communication between ground stations and satellites sufficiently is the reflector antennas. In the literature, there are several kinds of reflector antennas, but the reflector antenna types preferred in satellite applications grouped under three as `parabolic antennas`, `cassegrain antennas` and `offset parabolic antennas`. The most important advantages of using parabolic antennas are directing the radio wave with a narrow beam or allowing the waves to be received only at a certain angle. Reflector antennas are included of two parts; feeding and reflector. The feed part constitutes the electromagnetic wave source and the reflector part provides the antenna gain. Recent frequency selective surfaces in the reflector antenna designs, placed in two different ways which are between two feed points or behind a feed point. Frequency selective surfaces are structures that show transmission and reflection characteristics according to desired frequency. Frequency selective surfaces can be designed with multiple frequency characteristics, but also the frequency range of the designed frequency selective surfaces can be determined according to need. Because of these reasons, rapid developments in satellite technologies and the change of communication infrastructure over time increase the need for frequency selective surfaces. Moreover, studies on the design of these structures have been increased in order to reduce the number of reflectors in the satellites, to reduce the mass of the satellite and finally to reduce the cost. In this thesis, Ku band (14.1-16 GHz), Ka band (29.2-36.8 GHz) and X band (8- 12 GHz) which are commonly used in satellite communication applications. In this thesis, three different frequency selective surfaces with suitable band stop characteristics are designed by selecting the target frequencies. Analysis, optimization and design studies are performed using the Ansoft HFSS program. Analysis results are evaluated by using parameters S11 (reflection coefficient) and S21 (transmission coefficient). In the first design, a frequency selective surface structure design with band stop characteristic is performed in more than one resonance frequency of the Ka band for simplicity. To create this structure with more than one resonance frequency, a new FSS structure is formed by combining two different hybrid geometry structures in a single layer. When the results of the first structure with band stop geometry were evaluated, it is observed that the transmission coefficient is at least -20 dB at two central resonance frequency (26.5 GHz and 43.5 GHz) up to 60 degree of incidence angle. In the second part of this study, a multi-band frequency selective surface design is performed in the Ka band (38.8 GHz-41.1 GHz) and X band (8 GHz-12 GHz). At second design, we designed different geometries in different unit cells for Ka band and X band. Finally, these structures was combined in a single cell at a multi-frequency frequency selective surface.Results show that the Ka band, one of the stop bands in the TE (transverse electricity) and TM (transverse magnetic) modes, has shown an approximate of 2 GHz shift in both modes. The reason for this shift, is continuity of the geometry structure designed for the X band, in comparison with the miniaturized components of the structure designed for Ka band. The transmission coefficient of this structure is approximately -40 dB for X band and approximately -23 dB for Ka band. When the result is evaluated, the proposed second structure has a small size structure, two operating bands independently from each other and high selectivity. This designed frequency selective surface is proposed for use in a sub-reflector structure in reflector antennas. In the final stage of this study, a dual band frequency selective surface design which can be used as a sub-reflector in the reflector antennas for satellite applications is performed in Ku (14.1 GHz-16 GHz) and Ka (29.2 GHz-36.8 GHz) band. In this design, a four-arm structure in the center is designed to reflect the Ku band signals. At the same time, in order to reflect the Ka band signal, two-legged structures are placed on the corners and four-legged structures are placed on each quadrant. To find the most ideal measurements of the geometric structures, the most preferred equivalent circuit model is used in the literature. In this FSS design, both S11 and S21 parameter values are observed. It is observed that for TE polarization the parameter S21 is at least -25 dB in the Ku band from 0 to 60 degrees, and a minimum in the Ka band is -20 dB. In TM mode, the transmission coefficient in both Ka and Ku bands is below -20 dB. This FSS structure has a small size and miniaturized structure considering the cell size. At the same time, it is understood that this structure has high selectivity when the parameters S11 and S21 are evaluated.Totally three different designs are created in this thesis. All of these three designs are presented at international conferences.