Parabolic cylindrical reflector antenna design forcubesat insar and effects of antenna phase errorson InSAR measurements

Abstract

Remote sensing applications are performed with active and passive sensors. Active sensors do not require an external energy source, while passive sensors depend on sunlight. Radars equipped with active sensors provide high-resolution data. Synthetic Aperture Radars eliminate the need for large antennas in radars, which are categorized as Reel Aperture and Synthetic Aperture. This synthetic aperture, created by antenna movement or platform movement, makes antennas appear larger than their physical dimensions. various algorithms are used to extract high-accuracy meaning from Synthetic Aperture Radar images. The algorithms used vary depending on the desired information. Interferometric Synthetic Aperture Radars, used for height and motion detection, detect the difference in phase information from two or more Synthetic Aperture Radar images, providing highly accurate information about the observation area through the interferometric phase and the map created from these phases, called the Interferogram. This information provides us with precise information in many different fields, such as sea surface observation, ship detection, volcanic eruptions, earthquake zones, and the defense industry. Small satellites are generally classified according to their mass and weight. Cube satellites, a type of small satellite, are used in many scientific and commercial missions. Cube satellites, which began being sent into space for communication purposes, are now also being designed, manufactured, and launched into space for various remote sensing applications, particularly Radar or Synthetic Aperture Radar, providing reliable data. Cube satellites, which have also begun to be used for Synthetic Aperture Radar applications in recent years, are generally deployed in Low Earth Orbit. Cube satellites, used in various Synthetic Aperture Radar algorithms, have recently begun to be designed for altitude and motion detection using Interferometric Synthetic Aperture Radar algorithms. However, Interferometric Synthetic Aperture Radar satellites in low Earth Orbit require massive antennas. Due to the mass and volume limitations of cube satellites, the size and mass of the antenna designed for Interferometric Synthetic Aperture Radar applications poses a significant challenge. To accommodate larger antennas within the CubeSat's volume, origami antennas with mesh structures, such as the Umbrella antenna used in the Apollo 11, 12, and 13 missions, have been designed and manufactured. Mesh antennas designed for CubeSat radar missions can be housed in a small space within the CubeSat. These mesh antennas, which come in a variety of shapes, are highly suitable for the weight and volume limitations of CubeSats compared to other antenna types. The electrical properties of the material used to create the mesh structure are crucial. Among the various mesh antenna structures available, the Cylindrical Parabolic Reflector antenna offers high gain, easy integration, simple design, low cost, and improved signal reception and transmission compared to others. These features make Cylindrical Parabolic Reflector antennas ideal and preferred for radar applications. Cylindrical Parabolic Reflector Antennas, unlike Paraboloidal antennas, have a focal line rather than a focal point. The feed antenna for the Cylindrical Parabolic Reflector surface is placed along this line. Feed antenna design is crucial for this reflector system. In Cylindrical Parabolic Reflector antenna systems used as receivers, the signal reaches the reflector surface and then reaches the feed antenna located on the focal line. In Cylindrical Parabolic Reflector antenna systems used as transmitters, the feed antenna illuminates the reflector surface, and the signal is transmitted into space from the reflector surface. In this thesis, a Ka Band (35.75 GHz) dual linear polarization mesh structured Cylindrical Parabolic Reflector antenna was designed and analyzed for CubeSat Interferometric Synthetic Aperture Radar applications using HFSS. A microstrip broadside array antenna was designed and analyzed as the feed antenna for the Cylindrical Parabolic Reflector surface. The design and analysis of the unit elements of the feed structure are also included in the thesis. The main focus of the thesis is the effect of antenna phase errors on Interferometric Synthetic Aperture Radar Calculations, and is discussed by designing Cylindrical Parabolic Reflector antennas that incorporate phase errors appropriate to the antenna type and performing phase distribution analyses.Uzaktan algılama gözlemlenmek veya hakkında bilgi edinilmek istenen hedefe doğrudan dokunmadan çeşitli yollarla o hedef hakkında uzaktan bilgi edinme yöntemidir. Gözlemlenecek alan ile temas gerektirmemesi, uydu gibi yüksek platform aracılığı ile çok geniş alanları kısa sürede ve tekrarlanabilir şekilde gözlemleyebilme yeteneği gibi avantajları olan uzaktan algılama uygulamaları aktif ve pasif sensörlerle gerçekleştirilmektedirler. Aktif sensörler harici bir enerji kaynağına ihtiyaç duymazken Pasif sensörler güneş ışığına bağımlıdırlar. Aktif Sensörlerin yer aldığı radar platformları hava olaylarından daha az etkilenmekte, gece çalışabilmekte, yüzey özellikleri ölçümü (pürüzlülük, nem vb.) gerçekleştirebilmekte ve yüksek çözünürlükte veri sağlamaktadırlar. Gerçek Açıklıklı ve Yapay Açıklıklı olarak ikiye ayrılan radarların büyük anten ihtiyacı Yapay Açıklıklı Radarlar sayesinde giderilmiştir. Anten hareketi veya platform hareketiyle sağlanan bu yapay açıklık sayesinde antenler fiziksel boyutlarından daha büyük görünmektedirler. Yapay Açıklıklı Radar görüntülerinden yüksek doğrulukta anlam çıkarmak için çeşitli algoritmalar kullanılmaktadır. İstenilen bilgiye göre kullanılacak algoritmalar değişiklik göstermektedirler. Yükseklik ve hareket tespiti için kullanılan Interferometrik Yapay Açıklıklı Radarlar iki veya daha fazla Yapay Açıklıklı Radar görüntüsüne ait faz bilgilerinin farkını hesaplayarak interferometrik faz ve bu fazlardan oluşturulan Interferogram olarak adlandırılan harita sayesinde gözlem alanı hakkında yüksek doğrulukta bilgi sağlanmaktadır. Bu bilgiler deniz yüzeyi gözlemi, gemi tespiti, volkanik patlamalar, deprem alanı, savunma sanayi gibi birbirinden farklı birçok alanda bize hassas bilgi sağlamaktadırlar. Uydu ile gerçekleştirilen uzaktan algılamanın düzenli ve tekrarlanabilir veri dışında ulaşılması zor bölgeleri izleme, çeşitli sensörler kullanarak gözlem alanı hakkında daha detaylı bilgi sağlayabilme gibi avantajları bulunmaktadır. Uydular üniversitelerde eğitim için küçültülmeye başlanmıştır ve küçük uydu olarak adlandırılan bu platformlar günümüzde genellikle kütle ve ağırlıklarına göre sınıflandırılmaktadırlar. Küçük uydular düşük üretim maaliyeti, hızlı geliştirme süresi gibi avantajları nedeniyle büyük uydulara tercih edilmektedir. Bir küçük uydu çeşidi olan Küp uydular bilimsel veya ticari birçok görevde kullanılmaktadırlar. Haberleşme amacıyla uzaya gönderilemeye başlanan Küp uydular, ilk radar küp uydu projesi olan RainCube'ün uzaya fırlatılması ve anlamlı veri sağlamasından sonra çeşitli uzaktan algılamaları için özellikle Radar veya Yapay Açıklıklı Radar uygulamaları için de tasarlanmakta, üretilmekte, uzaya gönderilmekte ve sağlıklı veri sağlamaktadırlar. Son yıllarda Yapay Açıklıklı Radar uygulamaları için de kullanılmaya başlanan Küp uydular genellikle takım uydu şeklinde tasarlanmakta ve Alçak Dünya Yörüngesine konuşlandırılmaktadırlar. Çeşitli Yapay Açıklıklı Radar algoritmaları içinde kullanılan Küp Uydular, son yıllarda Interferometrik Yapay Açıklı Radar algoritmaları ile yükseklik ve hareket tespiti yapmak amacıyla tasarlanmaya başlanmıştır. Fakat Alçak Dünya Yörüngesinde bulunan Interferometrik Yapay Açıklı Radar uyduları devasa antenlere ihtiyaç duymaktadırlar. Küçük uyduların ıslak kütle ve boyut sınırlamaları nedeniyle, bir tür küçük uydu olan Küp uydu ve InSAR uygulamalarının avantajları bir uzay aracı tasarımında birleştirilmek istendiğinde, anten boyutları ve dolayısıyla ağırlık, aşılması gereken bir zorluk haline gelir. Büyük antenlerin Küp uydu hacmine uyum sağlaması için origamik veya Apollo 11,12 ve 13 görevinde kullanılmış olan Şemsiye anten yapısı gibi mesh yapıya sahip antenler tasarlanmış ve üretilmiştir. Küp uydu radar görevleri için tasarlanan mesh antenler Küp uydu içerisinde küçük bir alanda muhafaza edilebilmektedirler. Çeşitli şekle sahip olabilen bu mesh antenler diğer anten çeşitleri ile karşılaştırıldıklarında Küp uyduların ağırlık ve hacim sınırlandırmalarına oldukça uygun yapılardır. Mesh yapının sağlanması için kullanılan malzemenin elektriksel özellikleri oldukça önemlidir. Çeşitli şekillerde bulunabilen mesh anten yapıları arasında, diğerleri ile karşılaştırıldıklarında, Silindirik Parabolik Reflektör anten yüksek kazanç, kolay entegrasyon, kolay tasarım, düşük maaliyet ve gelişmiş sinyal alımı ve iletimi sağlamaktadır. Ve bu özellikler Silindirik Parabolik Reflektör antenleri radar uygulamaları için ideal ve tercih edilebilir kılmaktadır. Silindirik Parabolik Reflektör antenler, yüksek kazanç ve yönlülük özellikleri nedeniyle özellikleri uzaktan algılama, haberleşme ve mikrodalga sistemlerinde en büyük tercih edilme sebepleridir. Silindirik Parabolik Reflektör anten 2 boyutlu yapısı nedeniyle paraboloid antenlere göre tasarım süreci daha kolay ve üretim toleransları daha yüksektir. Bütün bunlara ek olarak , Silindirik Parabolik Reflektör antenler farklı uygulama ihtiyaçlarına göre kolayca değiştirilebilir ve anten ile birlikte bir göz kası gibi çalışan yönlendirme sistemlerine kolaylıkla entegre edilerek esnek kullanım sağlar. Silindirik Parabolik antenlerin uzaktan algılama ve haberleşme teknolojilerinde oldukça tercih edilen çözümler olmalarının sebepleri performansları, kazanç, ışınım deseni ve bant genişliği gibi anten parametreleri açısından optimize edilebilir olmasıdır. Silindirik Parabolik Reflektör anten şekil olarak bir düzlemde dikdörtgen iken diğer bir eksende paraboliktir. Bu yapı şekli dolayısıyla Silindirik Parabolik Reflektör anten yelpaze demet oluşturmaktadır. Anten yatay eksende dar ve dolayısıyla yüksek kazançlı bir ışıma yaparken, dikey eksende ise daha geniş bir ışıma açısı elde eder. Böylelikle gözlemlenmek istenen alan geniş bir bantta gözlemlenirken aynı zamanda istenilen yönde güçlü sinyal iletimi veya alımı işlemlerini gerçekleştirebilmektedir. Silindirik Parabolik Reflektör antenler paraboloid anten odak noktasına değil odak çizgisine sahiptirler. Silindirik Parabolik Reflektör yüzeyine ait besleme anteni bu çizgi üzerine yerleştirilmektedir. Silindirik Parabolik Reflektör antenler bir odak çizgisine yerleştirilen bu besleme anteni tarafından beslenmektedirler. Besleme anteni tasarımı bu reflektör sistemi için oldukça önemlidir. Bu besleme anteni genellikle dizi antenlerdir. Kullanım amacı ve kullanılacak platforma göre bu besleme anteni değişiklik göstermektedir. Alıcı anten olarak kullanılan Silindirik Parabolik Reflektör anten sistemlerinde sinyal reflektör yüzeyine oradan da odak çizgisi üzerinde bulunan besleme antenine ulaşmaktadır. Verici olarak çalışmakta olan Silindirik Parabolik Reflektör anten sistemlerinde ise besleme anteni reflektör yüzeyini aydınlatmakta ve sinyal reflektör yüzeyinden uzaya iletilmektedir. Modern haberleşme ve radar sistemlerinde, uzaktan algılama uygulamalarında yaygın olarak kullanılan mikroşerit broadside dizi antenlerin bu kullanım alanları için tercih edilme sebeplerinin başında hafiflik, düşük üretim maliyeti ve kullanılacakları platforma kolayca entegre edilebilmeleri gelmektedir. Broadside dizilimde ana ışıma lobu anten yüzeyine dik doğrultudadır ve bu özellik yüksek kazanç ile yönlülük sağlamaktadır. Dizi içerisinde yer alan her bir mikroşerit eleman kullanacakları sistemin gerekliliklerine göre belirlenen bir besleme tipi ile beslenmekte ve aralarındaki mesafeler yine bu sistemin talep ettiği özelliklere belirlenmektedir. Bu antenlerin, yan lob seviyelerinin kontrol edilebilir ve kazanç arttırımı bu sayede sağlanabilmektedir. Bu özellikler sayesinde istenilen ışıma deseni elde edilebilmekte ve böylelikle esnek bir tasarım imkanı sağlanmaktadır. Bu anten türü uydu haberleşmesi, uzaktan algılama, savunma sanayi projeleri gibi alanlarda, özellikle yüksek sinyal kalitesi gerektiren Yapay Açıklıklı Radar uygulamaları ve geniş kapsama alanı gerektiren uygulamalarda tercih edilmektedir. -Bu tez kapsamında HFSS kullanılarak Küp uydu Interferometrik Yapay Açıklıklı Radar uygulamaları için Ka Band (35.75 GHz) dual lineer polarizasyona sahip mesh yapıda Silindirik Parabolik Reflektör anten tasarlanmış ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan silindirik parabolik reflektör yüzeyi, açılabilir bir mesh yapısına sahiptir ve böylelikle Küp uydu ağırlık ve boyut sınırlamalarına uyum sağlamaktadır. Bu silindirik parabolik reflektör yüzeyi için, uzay koşullarına uygunluğu nedeniyle, Tungsten telden yapılmış 40-OPI (İnç Başına Açıklık) bir mesh kullanıldı. Bu mesh yapısı,HFSS (Yüksek Frekanslı Yapı Simülatörü) yazılımında silindirik parabolik reflektör yüzeyi için empedans değeri tanımlanarak modellenmiştir. Ayrıca yapı açılabilir olduğundan, uzayda açılırken veya fiziksel çevre koşullarından dolayı yüzeyde deformasyonlar meydana gelebilir. Deforme olmuş yansıtıcı yüzeyin dalga içerisinde neden olduğu faz bozulmaları hesaplanmış ve bu faz bozulmalarının InSAR performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu tezde açıklanan anten sisteminin besleme anten yapısı, istenen frekans aralığında -10 dB'nin altında bir yansıma kaybına sahip olacak şekilde tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Önerilen anten tasarımı, hem İnterferometrik Sentetik Açıklıklı Radar (InSAR) uygulamalarına hem de CubeSat'ın boyut ve kazanç kısıtlamalarına bir çözüm sunmaktadır. Silindirik Parabolik Reflektör yüzeyine ait besleme anteni olarak Mikroşerit Broadside dizi anten tasarlamış ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Besleme yapısına ait birim elemanların tasarımlarına ve analizlerine de tezde yer verilmektedir. Ayrıca, besleme anteni eleman boyutları ve antenler arasındaki mesafeler, antenlerin besleme devresi ile birlikte optimize edilmiştir. Tasarım sürecinde, dizi elemanlarının geometrik yerleşimi, besleme ağı yapısı ve eleman aralıkları optimize edilerek yüksek kazanç, düşük yan lob seviyesi ve geniş bantta kararlı ışıma karakteristikleri elde edilmesi hedeflenmiştir. Broadside konfigürasyon, ana ışıma lobunun anten yüzeyine dik doğrultuda yönlendirilmesini sağlayarak uydu haberleşme, radar sistemleri ve uzaktan algılama gibi yüksek yönlülük gerektiren uygulamalarda etkin bir çözüm sunmaktadır. Çalışma kapsamında, anten parametreleri elektromanyetik simülasyon yazılımları kullanılarak analiz edilmiş, tasarımın performansı kazanç, ışıma deseni, bant genişliği ve geri dönüş kaybı açısından değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen mikroşerit broadside dizi antenin kompakt boyutlarına rağmen yüksek performans sunduğunu ve modern haberleşme ile algılama sistemleri için uygun bir aday olduğunu göstermektedir. Besleme anteni ile reflektör yüzeyi arasındaki mesafe ve besleme anteni ile reflektör anteninin birbirlerine göre boyutları optimize edilerek, anten performansı yansıma katsayısı, kazanç ve aynı fazdaki yüzeyin düzgünlüğü kriterlerine göre iyileştirilmiştir. Ayrıca, çift polarizasyonlu besleme anteni sayesinde her iki polarizasyonun avantajlarından da yararlanılması amaçlanmıştır. Her iki polarizasyondan sağlanan doğru faz verileriyle yüksek doğrulukta InSAR yükseklik tespiti hedeflendi. Tezin ana odak noktası olan anten faz hatalarının Interferometrik Yapay Açıklık Radar Hesaplamalarına olan etkisi de, anten tipine uygun faz hatalarını bünyesinde barındıran Silindirik Parabolik Reflektör antenler tasarlanıp faz dağılım analizleri gerçekleştirilerek tartışılmaktadır.