Design and manufacturing of a feed system for Ku band satellite communication

Abstract

Bu tezde, uydu haberleşme ya da medya yayıncılıkta kullanılmak üzere, reflektör besleme sisteminin birbirine entegre en önemli iki parçanın tasarımı, ölçümleri ve üretiminden bahsedilmektedir. Bunlardan biri, haberleşme, uydu takip, radar ve uzaktan algılama sistemlerinde yaygın olarak tercih edilen ve geniş bant ölçümlerinde doğrudan bir verici anten olarak da kullanılabilen oluklu konik boynuz (horn) antenin tasarımı, diğeri ise sistemdeki antenin, farklı frekanslarda, aynı anda hem alıcı hem de verici olarak kullanılmasını sağlayan ve bir frekans ayırıcı olan 3 girişli dalga kılavuzu çiftleyici (diplexer) tasarımıdır. Sistemde çalışma bandı olarak, uydu haberleşmede yaygın olarak tercih edilen Ku frekans bandı kullanılmaktadır.Tasarlanan çiftleyici, RX (alım) bandında 10.5-12.75 GHz frekanslarında, TX (iletim) bandında ise 17.3-18.4 GHz frekanslarında çalışmaktadır. Yapının anteni besleyen ortak girişi ve TX girişi WR-62 dikdörtgen dalga kılavuzu boyutlarında olup, RX girişi WR-75 dalga kılavuzu boyutlarındadır. Bu üç girişin bulunduğu iletim hatları bir T-junction yapısı ve geçişler ile birleştirilmiştir. Önerilen çiftleyicinin, ihtiyaçlara göre kullanılabilecek, farklı polarizasyonlarda üç versiyonu tasarlanmıştır. Bunlardan ilki dikey polarizasyonlu olan H-plane çiftleyici olup, ikincisi yatay polarize E-plane çiftleyicidir. Son olarak da hem yatay hem de dikey polarize çalışan (dual-polarized) çiftleyici tasarlanmıştır. Tasarlanan çiftleyicinin, RX ve TX bandındaki geri yansıma kayıpları 15 dB'den daha iyi olup, izolasyon değerleri 60-75 dB dolaylarındadır. Aynı zamanda tasarımlar iyi bir araya girme kaybı değerine sahiptir.Anten, çiftleyici ile uyumlu hale gelmesi için daireselden dikdörtgen WR-62 dalga kılavuzuna geçişi sağlayan bir yapı ile birlikte tasarlanmıştır ve 10-19 GHz frekans bandında çalışmakta olup, 15 dB'den yüksek geri yansıma kaybı değerine ve bant boyunca 14.5-20 dBi kazanç değerlerine sahiptir.Üretim için tezin önemli amaçlarından biri de, tasarlanan yapıların prototiplerinin CNC ile üretime kıyasla çok daha ucuz ve kısa sürede üretimini sağlayan üç boyutlu (3-D) baskı teknolojisi ve iletken sprey ile kaplama yöntemi kullanılmasıdır. Alınan sonuçlarla birlikte, bu yöntemle de tasarımların doğrulanmasının mümkün olduğu kanıtlanmıştır.

In this thesis, the design and realization of two critical components for the reflector antenna feeding system used for satellite communication or broadcasting applications are explained. One of these components is wide-band corrugated conical horn antenna that is commonly used in telemetry, satellite tracking, radar and remote sensing systems, and it is used as a direct radiator antenna in broadband measurements. The second one is a 3-port waveguide diplexer design which allows working of an antenna as receiver and transmitter simultaneously in different frequencies. The system works in Ku frequency band which is commonly preferred for satellite communication.The antenna is designed with the circular to rectangular WR-62 waveguide transition structure to provide matching to diplexer and also it operates in 10-19 GHz frequency band and has a high return loss value of better than 20 dB and an antenna gain of 14.5-20 dBi within the given band.The diplexer is designed to operate for the frequency band of 10.5-12.75 GHz at RX (receiving) band and 17.3-18.4 GHz at TX (transmit) band. The common port (feeding to antenna) and TX port of the structure have WR-62 rectangular waveguide and RX port has WR-75 rectangular waveguide cross sections. These ports are combined at T-junction by passing from transition sections. Possible to use in case of need, three different versions of the proposed diplexer are designed, simulated and implemented. The first one is the H-plane diplexer with vertical polarization and the second is the horizontal polarized E-plane diplexer. Finally, a dual-polarized diplexer that works both vertically and horizontally polarized is designed. The designed diplexers have better reflection loss than 15 dB in the RX and TX arms and isolation values around 60-75 dB. At the same time, the designs have a good insertion loss value.Regarding to manufacturing, one of the most important objectives of the thesis is to use three dimensional (3-D) printing technology and conductive spray coating method, which makes the prototypes of the designed structures much cheaper and produces in a shorter time than CNC manufacturing. Along with the results, it has been proven that the verification of the designs is also possible with this method.