Faz modları kullanılarak silindirik dizi antenlerinin hızlı tasarımı ve analizi

Abstract

Askeri ve sivil uygulamalarda yaygın olarak kullanılan antenler, sistemin karakteristiğini ve performansını etkileyen önemli bir sistem elemanıdır. Askeri uygulama alanı olan radar sistemlerinde farklı amaçları ve gereksinimleri karşılamak için farklı karakteristiğe sahip antenler kullanılmaktadır. Özellikle son yıllarda gelişmiş radar sistemlerinde en yaygın olarak kullanılan anten çeşidi faz dizili antenlerdir. Farklı boyut ve türlerde olabilen dizi antenler, geniş kapsama alanı, yüksek yönlülük, etkin radar menzili, hassas doğruluk ve yön bulma gibi özellikleri sayesinde askeri ve sivil uygulamalarda kullanımı artmaktadır. Faz dizili antenler radyo dalgalarını alma veya iletmek için tek bir anten olarak birlikte çalışan anten kümesi olarak tanımlanabilir. Yüksek kazanç, yönlülük ve geniş kapsama alanına sahip olması önemli özellikleridir. Genel olarak dizi antenlerde, kullanılan bireysel anten elemanlarının sayısı ne kadar fazlaysa, kazanç o kadar yüksek ve huzme o kadar dardır. Tekil antenlerin kullanıldıgı radar sistemleri hüzmeyi mekanik olarak yönlendirirken, dizi antenlerin kullanıldıgı sistemler hüzmeyi mekanik olarak değil elektriksel olarak yönlendirebilmektedir. Ayrıca faz dizili antenler aynı anda birden çok ve farklı tipte hüzmeler oluşturabilmektedir. Dizi antenlerin sisteme kazandırdığı geniş kabiliyetlerin yanı sıra platform şekillerine uygun olarak, düzlemsel/dogrusal, silindirik/dairesel ve konformal gibi geometrik şekillerde kullanılmaktadır. Dizi anten oluşturabilmek için yaygın olarak kullanılan anten çeşitleri yama ve vivaldi antenlerdir. Bu antenler tekil olarak çalıştıgı gibi dizi olarakta çalışmaya uygun antenlerdir. Anten elemanlarının aralarında belirli bir periyodiklik ile yanyana dizilmeleriyle oluşan faz dizili antenlerin tasarımları ve analizleri dizinin boyutuna göre farklılık gösteren zor bir problemdir. Büyük faz dizili antenlerin tasarımı ve analizi, kullanılan elektromanyetik simulasyon araclarının hesaplamak için kullanacağı kaynağın limiti, maliyeti ve zamanıyla ilgili zorluklar içermektedir. Dizi antenlerin çözümünde kullanılan geleneksel elektromanyetik simulasyon programları yüksek ram ve hafiza kullanmaktadır. Dizinin boyutu büyüdükce kullanılan ram ve hafıza da artmaktadır ve çözüm çok zor bir hale gelebilmektedir. Yaygın olarak kullanılan simulasyon araçları problemin çözümü için belirli yaklaşımlar kullanarak fazlı dizi tasarımları mümkün hale getirmiştir. Simulasyon tekniği olarak, faz dizili antenlerin kendi içindeki simetrisinden yararlanan sonsuz dizi yaklaşımını kullanmaktadır. Bu yöntemle hesaplama alanı, anten dizisinin dizilimi boyunca sonsuz bir periyodik uzantıyı simüle eden uygun sınır koşullarına sahip tek bir anten elemanına indirger. Dizinin boyutu arttıkca yaklaşımın dogruluğu artmaktadır. Bu yaklaşım düzlemsel/dogrusal diziler için kullanışlıyken, silindirik/dairesel diziler için kullanışlı değildir. Bu durumun temel sebebi mevcut teknik, tüm elemanları aynı olarak ele alır ve kenar elemanları göz ardı eder. Düzlemsel/dogrusal dizilerde ortak bir eleman örüntüsü varken, Silindirik/dairesel diziler için ortak bir eleman örüntüsü yoktur. Bu çalışmada, silindirik/dairesel dizi anten tasarımını düzlemsel/dogrusal dizilerdeki gibi yaklaşımla tasarlamak için numerik bir yöntem sunmak amaçlanmıştır. Elektromanyetik çözücü olarak ANSYS HFSS kullanan Matlab tabanlı bir yöntem uygulanmıştır. Düzlemsel/dogrusal dizi tasarımında olduğu gibi hesaplama alanını tek bir elemana indirgemeye çalışılmıştır. Faz modu konseptini kullanan bu yöntemle silindirik bir dizinin tamamını çözmek yerine birim hücre olarak adlandırılan tek bir elemanını tasarlayarak ve analiz ederek, sonlu dizi çözümüyle aynı sonuca ulaşmak hedeflenmiştir. Birim hücre çözümünün faz modu kullanarak elde edilen gömülü eleman örüntüsünü, dairesel dizideki tüm elemanlarla olan sonlu çözümündeki eleman örüntüsüyle, nişan hattında ve yükseliş eksenindeki herhangi bir tarama açısı için elde edilen sonuçlarla karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Burada anten dizisi etrafındaki birden fazla elemanın uyarılmasıyla elde edilecek olan örüntü şekilleride incelenmiştir. Ayrıca geri dönüş kaybı S11 karşılaştırılıp yöntem dogrulanmaya çalışılmıştır.