Design of a planner ku band receive antenna array for mobile platforms

Abstract

Mobil sistemler için, Ku bandında uydu vericisinden doğrudan yayın alışı yapabilen genişbantlı, düzlemsel ve düşük profilli anten dizisinin tasarımı ve gerçeklenmesi sunulmuştur. Önceki tasarımlardan farklı olarak, bu anten dizisi çoklu vericilerden Ku bandındaki tüm frekansların (10.8 - 12.75 GHz) uydu indirme bandındaki anlık alışları kapsamaktadır. Bu tezde, öncelikle antenleri performansları bakımından sınıflandırabilmek adına başarım ölçütlerini sundulmaktadır. Olası anten yapılandırmaları arasında başarım ölçütlerine göre bir kıyaslama gerçekleştirildiğinde, açıklık kuplajlı antenlerin diğerlerinden üstün performansa sahip olduklarını gösterilmiştir. Bu birim anten elemanını kullanarak önce alt dizileri daha sonra da ana dizileri oluşturuldu. Birim anten elemanının yanısıra besleme ağı tasarımı da düşük kayıplı, genişbantlı ve faz farklı olma şartlarına uyabilmek için birtakım zorlukları aşarak gerçekleştirildi. Besleme ağının doğrudan tasarımı, güç bölücüleri/birleştiricileri içeren düşük kayıplı mikroşerit hatlarının kullanımıyla mevcuttur. Ne var ki, Ku bandında bu mikroşerit hatlar fazla kayıplı olup anten dizisini neredeyse faydasız hale getirmektedir. Mikroşerit besleme ağı ile dalga kılavuzu besleme ağının bir kombinasyonu ise ideal biçimde çalışmaktadır. O takdirde asıl soru, altdiziler ve onlara eşlik eden dalga kılavuzu besleme ağının nasıl oluşturulacağıdır. Bu tez, sözkonusu soruyu, altdizi ve dizi besleme ağı kayıplarını dizinin büyüklük ve ağırlığı kısıtlarında bir optimizasyon problemi olarak ele almak suretiyle yanıtlamaktadır. Birim anten ve besleme ağı tasarımlarındaki tüm bu geliştirmelerle, anten dizisi %16.5'luk bant genişliği sunmakta ve hem dikey hem de yatay polarizasyonlarda 28.4 - 31.3 dBi kazanç sağlamaktadır. Dalga kılavuzu besleme ağına sahip düzlemsel antenin toplam yüksekliği 25 milimetrenin altındadır. Anten, alıcı kalitesi gözetilerek inşa edilmiş ve test edilmiştir. Hedef verici için (42° E), 11.9 GHz'de alıcının arkasında bulunan IF çevrimi kullanılarak elde edilen 9.5 dB'lik taşıyıcı-gürültü oranı uygun olarak tespit edilmiştir.

A wideband, planar and low profile antenna array is proposed and designed for Ku band direct broadcast from satellite reception for mobile systems. Contrary to earlier designs, the array antenna covers entire downlink Ku-band frequencies (10.8 - 12.75 GHz) for simultaneous reception from multiple transponders. In this thesis, we first propose figure-of-merits (FOMs) to classify antennas in terms of their performances. Among possible antenna configurations, we show that aperture coupled antennas exhibit superior performance when FOM based comparisons are made. Using this single antenna element, we form small arrays first, then large arrays. Besides single antenna element, feed network design also requires a number of challenges to meet low-loss, wideband and phasing requirements. The most straightforward design of feed network is the use of low-loss microstrip lines with power dividers/combiners. However, at Ku band these microstrip lines become too lossy so that array antenna becomes almost useless. A combination of microstrip feed network and waveguide feed network, therefore, is ideal. Then, the main question is how one can form the subarrays and their accompanying waveguide feed network. This thesis answers that question by formulating the subarray and array feed network loss as an optimization problem with constraints on the size and the weight of the array. With all these improvements in the antenna element and the feed network design, the array antenna exhibits 16.5% bandwidth and has 28.4 - 31.3 dBi gain for both vertical and horizontal polarizations. Overall height of the planar antenna with waveguide feed network is under 25 mm. The antenna is built and tested for reception quality. The carrier-to-noise ratio of 9.5 dB is observed for the target transponder (42° E) at 11.9 GHz using IF loop-out of the receiver.