Analysis and synthesis of reflectarray antenna

Abstract

Bu tezde, bir X-band mikroşerit yansıtıcı dizi anten (MRA) için özgün, sağlam, sistemli bir tasarım, optimizasyon ve analiz yöntemi sunulmuştur. Bu çalışmada, iki tane mikroşerit reflectarray tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tezin amacı, en uygun yansıtıcı yama elemanı geometrisi ve dielektrik alt-tabaka özelliklerinin belirlenmesi ile daha iyi radyasyon performansına sahip bir mikroşerit yansıtıcı dizi anten tasarlamaktır. MRA tasarımında, en önemli ve kritik aşama yama elemanın seçimi ve tasarım optimizasyonudur. Bu çalışmada, standart yansıtıcı dizi yama elemanı (kare yama) ile karşılaştırıldığında doğrusal bölgede daha geniş bir faz aralığına sahip olduğundan dolayı birinci fraktaller iterasyondan olan minkowski şekli yansıma elemanı olarak kullanılmıştır. İlk tasarımda, bir H-wall dalga kılavuzu simülatörü sonunda Taconic RF-35 (εr=3.54, tanδ=0.018) üzerine yerleştirilen minkowski birim elemanının yansıma faz karakterizasyonu, doğrusal olmayan bir varyasyon fonksiyonu olarak elde edilmiştir. Bu fonksiyon, X-bandı bölgesi içinde rezonans frekansı merkezli yama geometrisi ve alt tabaka boyutlarının sürekli etki alanı için Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST MWS) programına dayalı 3-D EM simülasyonlarla elde edilmiştir. Daha sonra, Çok Katmanlı Algılayıcılı Yapay Sinir Ağı (MLP NN) modeli minkowski yansıtıcı dizi birim elemanını karakterize etmek için oluşturulmuştur. Bunu takiben, Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) maksimum faz aralığı ve daha yavaş bir değişim ölçüsüne sahip faz kalibrasyon özelliğini saptanması için basitleştirilmiş çok amaçlı işlevleri ile minkowski yansıtıcı dizi anteni optimize etmek için kullanılmıştır. Tasarım aşamasında, MLP NN modeli uyarlanabilir iteratif adım ile gerekli faz gecikmesini sağlayarak yansıtıcı dizi antenin her bir elemanının değişken boyutunu belirlemek için ters model olarak kullanılmıştır. Böylece, optimum parametrelerle tasarlanmış minkowski reflectarray anten, 3-D CST simülasyonları kullanılarak analiz edilmiş ve muadili kare ve parabolik yansıtıcı antenler ile karşılaştırılmıştır. İkinci tasarımda, minkowski yansıtıcı dizi anten için alt-tabakanın dielektrik sabiti,εr de dahil olmak üzere 3-D CST MWS tabanlı bütün bir MLP NN modeli kullanılarak için Genetik (GA) Nelder ve Mead (NM) algoritmalarının hybrid kombinasyonu ile yeni çok amaçlı bir tasarım optimizasyonu prosedürü oluşturulmuştur. Burada gerçekleştirilen MLP NN, minkowski yansıtıcı dizi elemanının yansıma fazını elde etmek için X-bant frekans bölgesinde alt-tabaka karakteristikleri ( 1≤ εr≤6, 0.5 mm ≤ h ≤ 3 mm) dahil olmak üzere giriş alanı ile sürekli bir fonksiyon olarak doğru ve hızlı bir model olmuştur. Son olarak, tamamıyla optimize edilmiş bir 15x15 X-band minkowski yansıtıcı dizi anten tasarımı gerçekleştirilmiş ve de seçilen geleneksel alt-tabakalar üzerinde hem optimize edilmiş hem de optimize edilmemiş yansıtıcı dizi antenler ile karşılaştırılmıştır. Optimize tasarımın limitlerini ve ticari olarak elde edilebilir tabaka seçeneklerini belirlemek için optimizasyon işlemine ilave olarak tolerans analizi gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tasarım yaklaşımı bir tasarımcı için sadece tüm X-bandı boyunca en optimum minkowski yansıtıcı anten tasarımı değil aynı zamanda seçilen yüzeylerde de optimum tasarım yapma imkanı sunmaktadır.