URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ Geniş Açı Taramalı Anten Dizisi Tasarım ve Üretimi Yücel Takak1,2, Özlem Aydın Çivi1 1 Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Ankara [email protected] 2 ASELSAN A.Ş. Radar, Elektronik Harp ve Đstihbarat Sistemleri Grubu Ankara [email protected] Öz: Bu çalışmada X-Bandda çalışan, silindirik, konik ve küresel yüzeyler üzerine kaplanmış, geniş açı taramalı anten dizilerine yönelik tasarım ve üretim çalışmaları sunulmaktadır. Anten dizilerinde kullanılacak anten elemanları HFSS benzetim programı kullanılarak tasarlanmıştır. Daha sonra antenler üretilmiş ve geometrilere uygunlukları incelenmiştir. Antenlerin kaplanacağı düzlemsel olmayan yüzeyler üç boyutlu yazıcı kullanılarak üretilmiş ve anten dizilerinin bu yüzeyler üzerine kaplanabilirliği incelenmiştir. Çok sayıda anten elemanı içeren dizilerin HFSS ortamında simülasyonu uzun zaman sürdüğü ve büyük RAM kullanımı gerektirdiği için, aktif eleman örüntüsü kullanılarak anten dizisinin örüntüsünü hesaplayan bir yazılım MATLAB ortamında geliştirilmiştir. Bu programın doğruluğu kısıtlı sayıda eleman içeren anten dizilerinin HFSS benzetimleri ile karşılaştırılarak gösterilmiştir. Abstrac: In this study design and production steps for wide angle scanning antenna arrays conformed on cylindrical, conical and spherical surfaces that operates at X-Band are presented. Antenna elements that will be used in the arrays are designed using HFSS. Designed antenna elements are produced and their conformability on desired surfaces is investigated. Non-planar surfaces that antennas will cover are produced using 3D printer. As the number of antenna elements increase, time and RAM required to simulate array in HFSS become inefficient. Therefore a MATLAB code for obtaining array pattern in principal planes using active element pattern is developed and it is verified by comparing the results with the ones obtained by HFSS for arrays with small number of elements. 1. Giriş Günümüzde, özellikle radar uygulamalarında, anten dizileri tarafından oluşturulan huzmelerin belirli açılara huzme şeklinin sabit tutularak yönlendirilmesi önem arz etmektedir. Düzlemsel anten dizileri geçmişte ve günümüzde çeşitli uygulamalarda huzme yönlendirme amacıyla yoğunlukla kullanılmaktadır. Fakat bu antenlerin, özellikle hava platformlarına yerleştirildiklerinde, aerodinamik uyumluluk sağlamak amacıyla düzlemsel olmayan yapılarla (radom) kaplanmaları ve belirli tarama açısından sonra anten huzmesinin bozulmaya başlaması geniş açı taraması yapabilen düzlemsel olmayan antenlerin gereksinimini zorunlu kılmıştır. Düzlemsel anten dizilerinde genel anten örüntüsü tek bir anten elemanının örüntüsü ve dizi faktörünün çarpılmasıyla bulunabilmektedir [1]. Düzlemsel olmayan anten yapılarında bu hesaplama geçerliliğini yitirmektedir. Bu yüzeyler üzerine yerleştirilmiş anten elemanlarının her biri farklı açılara doğru baktığından genel anten örüntüsü hesaplanırken bu açı farklılıkları hesaba katılmalıdır. Bu çalışmada farklı geometrilerdeki yüzeyler üzerine kaplanmış anten elemanlarının istenilen tarama açısına göre faz ve genlik değerleri ayarlanarak ve antenin geometrik yapısı kullanılarak geniş açılarda huzmelerin yönlendirilebildiği gösterilmiştir. 2. Anten Elemanlarının Tasarımı ve Dizi Örüntüsünün Aktif Eleman Örüntülerinden Oluşturulması Yapılan tasarım çalışmalarında, farklı yüzeyler üzerine yerleştirilmiş anten elemanları için MATLAB yazılımı kullanılarak dizi faktörü hesapları yapılmıştır. URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ HFSS üzerinden alınan aktif eleman örüntüsü, oluşturulmuş bu programa işlenerek istenilen açılara yönlendirilmiş genel anten örüntüsü elde edilmiştir. Şekil-1’de 11 eleman içeren 5 dalga boyu çapında silindir üzerine yerleştirilmiş yama anten dizisinin aktif eleman örüntüsüne dayanan geliştirilmiş yazılım ve tam elektromanyetik dalga benzetim programı HFSS ile elde edilen sonuçları aynı grafik üzerinde verilmiştir. HFSS üzerinden her bir elemana verilen faz farkı; istenilen yönlenme açısı ve anten geometrisinden hesaplanmıştır [2]. Elemanların tümü eşit genliklerde beslenmiştir. Geliştirilen yazılım fazla sayıda eleman içeren anten dizilerinin istenilen kesitlerdeki örüntüsünün HFSS yazılımına oranla çok daha kısa sürede elde edilmesini sağlamaktadır. Yan huzme seviyelerinde meydana gelen farklılık, kullanılan anten aktif örüntüsünün gerçek durumdan farklılığından kaynaklanmaktadır. Şekil-1-1x11 Anten Dizisi MATLAB-HFSS Benzetim Sonuçları Anten elemanları tasarımında HFSS programı kullanılmıştır. Mikroşerit yama anten taban malzemesi olarak XBantta düşük kayıplı şekilde çalışabilen, ayrıca ince tabakalar halinde kullanıldığında deforme olmadan kolaylıkla bükülebilen RO5880 seçilmiştir. Anten dizilerinde kullanılmak üzere iki tip anten elemanı tasarlanmıştır. Đlk anten prob beslemeli yama anten, ikincisi ise açıklık beslemeli yama antendir. Üretilen antenlere ait S11 parametreleri Şekil-2’te verilmiştir. Şekil-2 Prob Beslemeli Anten ve Açıklık Beslemeli Anten S11 Parametresi 3. Düzlemsel Olmayan Yüzeylerin Üretilmesi Üretilen antenlerin üzerine sarılarak şekil almasını sağlamak için üç boyutlu yazıcı kullanılarak silindirik, konik ve küresel yapılar üretilmiştir. Bu yapılar ABSplus-P430 plastik malzemeden ürettirilmiştir. Malzemeler silindirik yüzey için 5 dalga boyu çapında, konik yüzey için taban çapı 5 dalga boyu, yüksekliği 3 dalga boyu, küresel yüzey için çapı 5 dalga boyu olacak şekilde üretilmiştir. Üretilen malzemelere ait fotoğraflar Şekil-3’te görülmektedir. Şekil-3- Konik, Silindirik ve Küresel Anten Alt Yüzeyleri URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ Anten dizileri yüzeyler üzerine kaplandıktan sonra huzmelerin istenilen bölgeye yönlendirilmesi aktif olan eleman sektörünün kaydırılması ile sağlanmaktadır. Yapılan ilk tasarımda aktif eleman bölgesi 5 eleman olarak kabul edilmiş tasarım ve üretim faaliyetleri bu temelde yapılmıştır. Đstenilen huzme genişliğinin elde edilebilmesi için aktif bölge elaman sayısı değiştirilebilir. HFSS ortamında aktif ışıma bölgesi 5 adet açıklık beslemeli anten içeren dizi kullanılarak huzme yönlendirmeleri yapılmıştır. Benzetim sonuçlarından silindirik yüzey üzerine kaplı olan dizinin örüntü şekli bozulmadan istenilen açılara yönlendirilebildiği Şekil-4’te görülmektedir. Grafikte görülen yönlendirilmiş huzmeler anten geometrisi kullanılarak aktif gruba dik olarak üretilmiş huzmelerdir. 360 derece kapsama yapılabilmesi için anahtarlanmış grubun ±5 derece tarama yapabilmesi gerekmektedir. Bu sonuçlardan silindir yüzeyi tamamen kaplandığında bütün yancanın taranabildiği görülmektedir. Konik ve küresel yüzeyler için de benzetim sonuçları paralellik göstermektedir. Şekil-4- Silindirik Anten Dizisi Örüntüleri Üretilen 5x1 anten dizisi Şekil-5’te görülmektedir. Bu dizi silindirik yüzey üzerine yerleştirilerek ölçümleri yapılacaktır. Şekil-5- Silindirik Yüzey Üzerine Kaplanacak Anten Dizisi (iki parça halinde). 4. Sonuç Bu çalışmada doğrusal olmayan yüzeyler üzerine kaplanmış geniş açı taraması yapabilen anten dizilerinin tasarım ve üretim çalışmaları anlatılmıştır. Kullanılan şekiller temel olarak silindir, koni ve küredir. Bu yüzeyler üzerine kaplanacak anten elemanları tasarlanmış ve düzlemsel durumda ölçümleri yapılmıştır. Kullanılacak olan yüzeyler üretilerek antenlerle kaplanmaya hazır hale getirilmiştir. Anten dizileri yüzeyler üzerine kaplanarak ölçümleri alınacaktır. Belirlenen huzme karakteristiğine göre aktif eleman sayısı ve bölgesi değiştirilerek huzmenin istenilen şekilde yönlendiği gösterilecektir. Kaynaklar [1]. Balanis, C. A., (1997), Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, New York. [2]. Randy L. Haupt, Antenna Arrays A Computational Approach, John Wiley & Sons