Radar uygulamalarında vivaldi anten tasarımı ve optimizasyonu

Abstract

Radar teknolojilerindeki minyatürizasyon yaygınlığı ve sivil/ticari insansız hava araçlarının (drone) tespiti gibi modern uygulamalar; yüksek mesafe çözünürlüğü sunan geniş bantlı, kararlı hüzme yapısına sahip ve maliyet açısından uygun olan anten sistemleri ihtiyacını artırmıştır. Radar sistemlerinde hedeflerin hassas bir şekilde birbirinden ayırt edilebilmesi, doğrudan sistemin sahip olduğu frekans bant genişliği ile ilişkilidir. Geleneksel dar bantlı rezonans antenlerinin aksine, "yürüyen dalga" (traveling wave) mekanizması ile çalışan Kademeli Yarık Antenler (TSA), enerjinin dar bir yarıktan başlayıp giderek genişleyen bir açıklığa doğru ilerleyerek uzaya yayılması prensibiyle bu gereksinimlere etkili bir çözüm sunmaktadır. Bu tez çalışmasında, 5.8 GHz Endüstriyel, Bilimsel ve Tıbbi (ISM) bandında çalışan kısa menzilli radar sensörleri ve drone tespit sistemleri için kompakt yapılı (70x40 mm), düşük maliyetli ve etkin performansa sahip bir Vivaldi anten tasarlanmış, simülasyon ortamında optimize edilmiş ve nihai hali deneysel olarak doğrulanmıştır. Anten tasarımında, üretim kolaylığı ve ekonomik avantajları nedeniyle endüstriyel süreçlere tam uyumlu olan FR-4 dielektrik alt tabakası kullanılmıştır. FR-4 malzemenin yüksek frekanslardaki doğal yalıtkanlık kayıpları, uygulanan yapısal optimizasyonlar ile en aza indirilmiş ve malzemenin literatürdeki maksimum sınırlarında bir radyasyon verimliliği hedeflenmiştir. Elektromanyetik modelleme ve parametrik analiz safhaları CST Studio Suite 2023 yazılımında tam dalga 3D zaman alanı çözücüsü (Time Domain Solver) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Mikroşerit besleme hattından slot açıklığına azami seviyede enerji transferini sağlamak ve dengesiz (unbalanced) quasi-TEM modunu dengeli (balanced) temel TE moduna dönüştürmek üzere, teorik hesaplamalar doğrultusunda 6.8 mm uzunluğunda dairesel kısa devre (QWS) ve 7.6 mm uzunluğunda açık devre (QWM) çeyrek dalga boyu uyumlayıcıları tasarıma entegre edilmiştir. Ayrıca, mikroşerit ve yarık hattı kesişimindeki ofset ayarı ile kapasitif ve endüktif denge kurularak maksimum kuplaj elde edilmiştir. Elektromanyetik enerjinin uzaya yayılması, log-periyodik üstel açılan (exponential taper) ışıma profili ile sağlanmıştır. Vivaldi antenin ışıma mekanizmasında, dalganın anten yüzeyinden geri yansımaması ve serbest uzay empedansına (yaklaşık 377 Ω) pürüzsüz bir geçiş yapabilmesi için üstel açılma katsayısı iteratif yöntemlerle optimize edilmiştir. Bu üstel profil, yüksek frekanslı dalgaların yarığın dar kısımlarında, düşük frekanslı dalgaların ise açıklığın daha geniş olduğu bölgelerde uzaya yayılmasına olanak tanıyarak antene arzu edilen geniş bant karakteristiğini kazandırmıştır. Bu sayede, besleme noktasındaki düşük karakteristik empedans kademeli olarak artırılarak mükemmel bir empedans transformatörü etkisi yaratılmıştır. Teorik benzetimlerin fiziksel olarak doğrulanması amacıyla antenin prototipi üretilmiştir. Ölçüm hassasiyetini artırmak ve insan kaynaklı hizalama/açı hatalarını tamamen ortadan kaldırmak maksadıyla, alıcı antenin tam 360º yörüngede 10º artış adımlarıyla otomatik döndürüldüğü Arduino ve SG90 servo motor tabanlı yarı otomatize bir ölçüm düzeneği geliştirilmiştir. E-düzlemi (elektrik alan düzlemi) radyasyon diyagramı testleri, Anritsu MS2026C Vektör Ağ Analizörü (VNA) ve yüksek frekanslı RF koaksiyel kablolar kullanılarak yarı-yankısız oda ve uzak alan (Fraunhofer) koşullarında icra edilmiştir. Elde edilen bulgular, benzetim ve fiziksel ölçüm sonuçlarının yüksek bir doğrulukla örtüştüğünü göstermiştir. Gerçek kullanım senaryoları göz önüne alındığında, sistemin çalışacağı frekans aralığında hareket serbestisi ve Elektronik Korunma Tedbirlerine (ECCM) olanak sağlaması maksadıyla antenin geniş bant karakteristiği göstermesi hedeflenmiştir. Simülasyonlarda 562 MHz olarak hesaplanmış efektif empedans bant genişliği, fiziksel ölçümlerde 705 MHz'in üzerine çıkarak (5.205 GHz - 5.910 GHz aralığında) tasarımın sağlamlığını kanıtlamıştır. Fiziksel ölçümlerde 5.615 GHz asıl rezonans frekansında -44.10 dB seviyesinde (%99,99 empedans eşleşmesi) derin bir geri dönüş kaybı (S11) elde edilmiştir. Gerçekleştirilen E-düzlemi radyasyon ölçümlerinde antenin enerjiyi istenen son-ışıma (endfire) yönünde yüksek bir hassasiyetle odakladığı doğrulanmış olup; yarı güç ışın genişliği (HPBW) yaklaşık 26 derece, ön-arka ışıma oranı ise 12 dB seviyesinde ölçülmüştür. Teorik analizlerde antenin maksimum yönlülüğü 7.62 dBi, gerçekleşen kazancı 5.86 dBi ve toplam radyasyon verimliliği %70 düzeyinde hesaplanmış; -6.0 dB yan lob seviyesi ile çevresel saçılmalardan kaynaklı yanlış alarm olasılığı minimize edilmiştir. Sonuç olarak bu çalışma, literatürde yüksek dielektrik kayıpları nedeniyle dezavantajlı kabul edilen FR-4 malzemesinin, spesifik geometrik optimizasyonlar ve yürüyen dalga prensibinin doğru modellenmesi sayesinde yüksek performanslı radar sistemleri için uygun bir anten platformuna dönüştürülebileceğini ispatlamaktadır. Geliştirilen Vivaldi anten, maliyet-etkin ve 70x40 mm boyutlarındaki kompakt yapısıyla kısa menzilli radar sensörlerinin ve drone tespit mekanizmalarının endüstriyel boyutta üretilebilmesi için yenilikçi, güvenilir bir donanım altyapısı sunmaktadır.