Salih Mehmed BOSTAN, 2, Hamid TORPİ 1

Transkript

1 CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ BANDLI DİK-MOD AYRIŞTIRICI TASARIMI Salih Mehmed BOSTAN, 2, Hamid TORPİ 1 1 Elektronik Haberleşme Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi torpi@yildiz.edu.tr 2 Profen İletişim Teknolojileri ve Hizmetleri Sanayi TAŞ sbostan@profen.com ÖZET Uydu haberleşmesinin yaygınlaşması üzerine frekans bantlarının sınırlı kalması, elektromanyetik işaretin polarizasyon farklılıkları kullanılarak, aynı frekans bandından farklı polarizasyonda işaretlerin iletimi önemini artırmıştır. İki farklı polarizasyonun haberleşmenin niteliğine zarar vermeden birbirinden ayrılması dik-mod ayrıştırıcı (OMT) ile sağlanmaktadır. Bu çalışma, çapraz polarizasyonda (cross-pol) haberleşme yapan canlı yayın araçlarında (SNG vehicles) kullanılmaya yönelik Ku-Band bir dik-mod ayrıştırıcı tasarımı yapılacaktır. Tasarımda küçük yansımalar teoremi baz alınarak dalga kılavuzları arasında empedans uyumunu sağlamak için geniş bantlı uydurma tekniklerinden yararlanılmıştır. Bu çalışmanın ardından elde edilen ilk hesaplamalardan yararlanılarak, simulasyon programı koşturularak optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon için WASP.NET 7.1 yazılımı kullanılmıştur. Anahtar Kelimeler: Mikrodalga,Dik-mod ayrıştırıcı (OMT), KU Bandı 1. GİRİŞ Uydu haberleşmesi ve mikrodalganın öneminin gün geçtikçe artması, artan kullanıcı ve artan frekans ihtiyacını beraberinde getirdiği için, aynı frekansın tekrar kullanımı (Frequency Reuse) fikri ortaya atılmıştır. Elektrik alanın polarizasyon faktörünü kullanarak, aynı frekansta farklı polarizasyonda olan iki işaret birbirine karışmadan iletilebilir. Frekans bandının efektif bir biçimde kullanılmasını sağlayan bu yapıda çift-polarize anten ışıması ile alınan veya gönderilen birbirine dik (orthogonal) işaretler, özel yapılarla ayrıştırılırlar. Mikrodalga haberleşmede, hem polarizasyonu ayıran, hem de frekansı ayıran bu tarz yapılara Dik Mod Ayrıştırıcı (OMT - Orthomode Transducer) denmektedir. Dik-Mod Ayrıştırıcı lar pasif bileşenler oldukları için polarizasyona bağlı olarak ikiye ayrılan (ve birleşen) işaretler eş zamanlı olarak iletilebilmektedir. Kapılar arasında yalıtım sağlayan ve geri dönüş kaybı düşük olan bu cihazlar, yüksek güçlü antenlerle birlikte kullanıldıkları uygulamalarda tek bir anten üzerinden birbirinden bağımsız iki iletim kanalının (Alıcı ve verici) kullanılabilmesine imkân verir. Aynı dalga kılavuzu üzerinde birleşen yollardan birisi yukarı link işareti, diğeri aşağı link işareti biçimlendirir. Bu uygulamalarda iletim (Up Link) ve alım (Down Link) işaretleri arasında 90 lik fark vardır. Diğer bir deyişle bu iki işaret birbirine ortogonal (dik) yatay ve düsey olmak üzere farklı iki polarizasyondadır. Her iki polarizasyonda çalışan (cross-pol) bir anten sisteminde, birbirine dik olan iki işaretin birbirine karışmamasını sağlamak çok önemlidir. Ticari uygulamalarda genelde bu farklı polarizasyonların yalıtımının -35 db lerde olması beklenmektedir. Dik-Mod Ayrıştırıcılar, anten sistemlerinde bu değerlerin elde edilmesini sağlamakla birlikte haberleşmenin aynı anda ve işaretlerin birbirine karışmadan iletimini sağlamaktadır. Şekil 1: Bir OMT nin Basit Bir Şematik Gösterimi [8] OMT ler çok özel bileşenler oldukları için mikrodalga literatüründe pek fazla konu edilmemiştir. Hakkında sayılı makale bulunan OMT ler ile ilgili en geniş araştırma [1] de işaret edilmiştir. Bu makalede mevcut OMT yapıları beş sınıfa ayrılmış ve kategorize edilmiştir. Bu makalenin ardından yayımlanan pek çok makalede OMT lerde bahsedilen sınıflandırma dikkate alınmıştır. [2] de Ku-bandına yönelik WR-75 dalga kılavuzu kullanılan bir OMT incelenmiştir. Bu OMT turnstile jonksiyonu olarak bilinen sınıf 4 e mensup bir OMT dir. Herhangi bir kapı için geri dönüş kaybı en az 23 db, araya girme kayıpları ise en çok 0.06 db dir. Kapı izolasyonları ise 50 db den daha iyi olmakla birlikte, GHz arası 35 db bir çapraz polarizasyon izolasyonuna sahiptir. [3] te yine sınıf 4 e mensup 3.6 GHz- 7 GHz bant genişliğine sahip bir OMT tasarımı mevcuttur. Geri dönüş kaybı 25 db den, dikdörtgensel kapılar arası izolasyon 50 db den iyidir. [4] te GHz aralığında çalışan sınıf 4 e mensup bir OMT tasarımı yapılmıştır. Geri dönüş kaybı 18 db den iyi, araya girme kaybı yaklaşık olarak 0.2 db dir Çapraz polarizasyon -35 db den düşük, iki kanal arasında yatay ve düşey polarizasyon kayıpları -36 db den düşüktür.[5] te 3.7 GHz-4.2 GHz iletim bandına, GHz GHz alış bandına sahip olan OMT nin her iki bantta da - 23 db den düşük geri dönüş kaybı, -0.1 db den büyük araya girme kaybı vardır. Çapraz polarizasonda ise -45 db lik bir yalıtım söz konusudur. [6] da 0.1 db araya girme kaybı, -30 db çapraz polarizasyon izolasyonu ve -15 db geri dönüş kaybına sahip bir OMT tasarımı anlatılmıştır. [7] de GHz GHz bant genişliğine sahip WR-75 ve WR-62 dalga kılavuzu özelliklerine sahip bir OMT, farklı modların tetiklenmesini engellemeye yarayan septum adı verilen bir tasarım metoduna sahip olarak tasarlanmıştır. 27 db geri dönüş kaybı ve yatay polarizasyonda GHz aralığında 25 db geri dönüş kaybı vardır. Araya girme kaybı ise yatayda 0.05 db, düşeyde 0.10 db olmuştur. 323

2 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Bu bildiride tasarlanan Dik-Mod Ayrıştırıcı (OMT), [1] de dikkat çekilen makaleye göre Sınıf-1a (Class 1a) olarak sınıflandırılmıştır. Bu kısımdan sonra anlatılacak OMT nin çalışma prensibi, Sınıf-1a OMT temel alınarak anlatılacaktır. 2. DİK-MOD AYRIŞTIRICI TEORİSİ Bir elektromanyetik dalganın polarizasyonu elektrik alan vektörü E nin yönüne bağlıdır. Z yönünü propagasyon yönü olarak düşünürsek, dalganın ilerleme doğrultusuna dik olduğu X Y düzleminde polarizasyon lineerdir. E. (1) Bilindiği üzere keyfi bir E alan dik bileşenlerine ayrılabilir. Eğer Elektrik alanın Y düzleminde bileşeni yoksa polarizasyon yatay, Eğer elektrik alanın X düzleminde bileşeni yoksa polarizasyon dikey olur. Yatay ve dikey polarizasyon, ortogonallik özelliğinden yararlanılarak birbirinden bağımsız olarak iletilebilir. (2) Dairesel polarizasyonda E vektörü z yönünde sarmal bir yön çizer. Bu sarmal yapı saat yönünde ise RHCP (Right Hand Circular Polarization), tersi istikamette ise LHCP (Left Hand Circular Polarization) dir. Dairesel polarize bir dalga eşit genlikli iki lineer ortogonal alan bileşeniyle matematiksel olarak ifade edilir. (3) 3. OMT TASARIMINDA İZLENEN YÖNTEM 3.1 Hedefler ve Simülasyon Sonuçları Tasarımı yapılan OMT nin proje başlangıcında hedeflenen tasarım parametreleri şu şekildedir: Çalışma Frekansı: 10.7 GHz GHz Kapı Parametreleri: Birinci Kapı: WR-75 Dikdörtgelsel Dalga Kılavuzu, a=19.05mm, b=9.525mm İkinci Kapı: WR-75 Dikdörtgelsel Dalga Kılavuzu, a=19.05mm, b=9.525mm Üçüncü Kapı (Ortak Kapı): WC-69, Dairesel Dalga Kılavuzu, r=8.737mm Çapraz Polarizasyon İzolasyonu < -35 db db db Tasarımla ilgili bilinmesi gerekenler: Tasarlanan OMT, geniş bantlı bir OMT dir. Geniş bantlı OMT de süreksizlik noktaları artırılmak suretiyle empedans uydurma yapılmaktadır. Ortak kapı için hem yatay hem de dikey polarizasyon çıktıları dikkate alınmıştır. OMT elektriksel olarak dört kapılı, pratikte ise üç kapılı bir cihazdır. Dört kapılı olarak kabul edilmesinin sebebi, ortak kapı olarak kullanılan kapı içerisinde, birbirine dik iki farklı işaretin aynı anda iletilebilmesidir. Bu kapı genelde dairesel veya karesel kesit alanına sahiptir. Karesel kesit alanında ve modlarının tetiklenmesi sağlanabilmektedir. Dairesel kesit alanı ise zaten dairesel polarizasyonda iletim yaptığı için, bu polarizasyonda iki lineer polarizasyon bileşeni bulunabilmektedir. Dört kapılı ideal bir OMT nin S parametre matrisi şu şekildedir: (4) Bu matriste 1 ve 3 kapıları, 2 ve 4 kapıları ile gösterilmektedir. Bu matristen de anlaşıldığı üzere OMT çift yönlü (reciprocal) bir cihazdır. OMT nin dört kapılı bir cihaz olarak kabul edilmesi S matrisi üzerinden de anlaşılabilir. Üç kapılı bir mikrodalga sistemin S matrisinin kayıpsız olması devre çift yönlü (reciprocal) olmadığı için teorik olarak mümkün değildir. Çift yönlü bir devre olan OMT de ise teoride kayıpsız iletim yapılabilmektedir [9]. OMT tasarımında süreksizlikler veya izolasyon problemleri yüksek modları (Higher order modes) tetikler. Bu durum OMT antene bağlı olduğu için anten ışıma diyagramında da istenmeyen değişikliklere sebebiyet verebilmektedir. 3.2 İzlenen Yol Şekil 2: Tasarlanan OMT nin genel dörünüşü OMT tasarımında iki temel problem vardır. İlk olarak dairesel polarizasyonda çalışan ve WC-69 (veya C-120) standartlarında bulunan ortak kapının, hem alım hem de iletim kapılarında WR-75 standartlarında olan dikdörtgensel dalga kılavuzlarına dönüştürülmesi ve ikinci olarak dik kapı Şekil 2 de 3 numaralı kapı) için uygun kuplajın sağlanabilmesi. Şekil 2 de 1 numaralı kapı dairesel polarizasyonda çalışmaktadır. İki numaralı kapı iletim kapısıdır ve dikey polarizasyonda

3 14.5 GHz arasında çalışmaktadır. Üç numaralı kapı ise alım kapısıdır ve yatay polarizasyonda 10.7 GHz GHz arasında çalışmaktadır. Her iki dikdörtgensel kapı farklı frekanslarda çalışmalarına rağmen, aynı standart dalga kılavuzu birleştirme yüzeyini (waveguide flange) kullanmaktadırlar. İlgili şekilden de görüleceği üzere kapı 2 ve kapı 3 birbirine dik konumdadır. Bu ortogonal yapı polarizasyon farklılığından kaynaklanmaktadır. OMT tasarımında önce ortak kapı oluşturulmuştur. Ortak kapı, 8.737mm (WC-69 veya C-120) yarıçapında bir dairedir. Bu daire, ilk aşama olarak hem yatay hem de düşey polarizasyonun ilerleyebilmesi için a ve b si aynı uzunlukta olan bir kareye dönüştürülmüştür. Şekil 3 de bu dönüşüm görülebilir. Dikdörtgensel dalga kılavuzlarında, a genişlik, b ise yüksekliği ifade ediyorsa dominant moda sadece a nın etkisi olduğu bilinmektedir. İlgili şekilde görüldüğü üzere birbirine dik iki işaretin aynı oranda iletilebilmesi için karesel bir yapı gerekmektedir. Bu yapının duvarları Ku-Band dalga kılavuzu standartı olan WR-75 in (a=19.05 mm, b=9.525 mm) uzun kenarına göre belirlenmiştir (a=19.05 mm ). kullanılmakta ve çok hızlı sonuç vermektedir. WASP-NET in esas yönelim alanı dalga kılavuzları olduğu için, mod uydurma tekniğini efektif olarak kullanmakta bu sayede işlem hızını artırmaktadır. Ayrıca WASP-NET tam dalga analizi yapabilmektedir. Bir dalga kılavuzunda tetiklenebilecek yüksek dereceli modları da hesaba katmakta bunların çıktılarını verebilmektedir. Yüksek dereceli modların hesaplarının yapılması, gerçeğe daha yakın sonuç vermektedir [10]. WASP-NET in sonuç grafiklerinin okunmasına yardımcı bilgiler aşağıda verilmiştir. Bu grafiklerde cihaz kaç kapılı ise, o kadar kapının birbiri ile olan ilişkisi S parametreleri halinde verilir. Çalışmalar, dominant mod olan moduna göre yapıldığı için örnekler moduna göre verilmiştir: TE modu, WASP-NET te h10 olarak tanımlanmaktadır. H11 in yanında bulunan s Yatay Polarizasyonu, c ise dikey polarizasyonu ifade eder. Birinci kapıdaki geri yansıma grafikte şöyle tanımlanır: (h10c, h10c) Birinci kapıda dikey dikey polarizasyonda TE modunda geri yansıması ( h10s, h10s) Birinci kapıda yatay yatay polarizasyonda TE modunda geri yansıması ( h10c, h10s) Birinci kapıda yatay dikey polarizasyonda TE modunda geri yansıması Şekil 3: Dairesel dalga kılavuzundan karesel dalga kılavuzuna dönüştürme Bu aşamadan sonra modunda çalışan ikinci kapı için mm olan yükseklik (b) kademeli olarak e düşürülecektir. Her kademe, çeyrek dalga uzunluğuna sahiptir. b nin her kademedeki boyutları empedans uyumunu sağlama açısından ilk tasarımda binom tipi çeyrek dalga dönüştürücüler ile b ayarlanmış ve optimizasyon parametresi olarak her adımın uzunluk ve boyu hesaba katılmıştır. İkinci kapı için uyumlu geçiş sağlanırken, bu yapının ortasında ve bu yapıya uzamsal olarak paralel olan modunda çalışan üçüncü kapı yerleştirilmiştir. Bu kapının açıklığı modunu geçirecek şekilde, ancak modunu geçirmeyecek şekilde ayarlanmıştır (a ve b a göre tam zıt ayarlanmıştır). Bu parametreler doğrultusunda OMT oluşturulmuş, simülasyon ve optimizasyon yapılmıştır. Tasarım ortamı olarak WASP-Net 7.1 kullanılmıştır. WASP- NET (Waveguide Synthesis Program for waveguide NETworks) Moment Metodu (MoM), Sonlu Elemanlar Metodu (FEM), Zaman Domeninde Sonlu Farklar (FDTD) ve Mod Uydurma (Mode Matching) tekniğini hibrid biçimde kullanmaktadır. Mode Matching tekniği, literatürde bulunan ama pek yaygın olarak kullanılmayan bir metottur. Daha çok dalga kılavuzlarında eigen değer problemlerinin çözümünde Şekil 4: Dikey polarizasyonda ortak kapı ile iletim kapısı arasındaki ilişkiyi gösteren grafiği 325

4 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Şekil 5: Ortak kapı ile iletim ve alım kapıları arasındaki ilişkiyi gösteren grafiği Şekil 4 te araya girme kaybını ifade eden görülmektedir ibaresinde 10, dikdörtgensel dalga kılavuzlarındaki modunu, 11 ise dairesel dalga kılavuzlarında dikey polarizasyonu ifade etmektedir. Hedeflenen araya girme kaybı 0.2 db maksimumdur GHz arasında en yüksek kayıp 0.1 db olarak görülmektedir. Şekil 5 te ise tüm bantta hem yatay hem düşey polarizasyon görülmektedir. Düz çizgi alım bandını, noktalı çizgi ise iletim bandını temsil etmektedir. Alım bandında araya girme kaybı, iletim bandından daha düşüktür. Yani her iki bant için araya girme kayıpları hedeflenen parametreleri sağlamaktadır. Şekil 7: Ortak portta dikey polarizasyonda geri dönüş kaybını gösteren grafik Şekil 8: Yatay polarizasyon geri dönüş kaybını gösteren grafik Şekil 6: Tasarlanan OMT nin Çapraz Polarizasyon İzolasyonu (CrossPol) Şekil 6 da OMT nin çapraz polarizasyonda OMT nin davranışı görülmektedir. Simulasyon çıktısı, tüm bantta ortalama -310 db lerde sonuç vermektedir. Bu değer, pratikte iki polarizasyonun birbirine hiç karışmadığını göstermektedir. Hedeflenen parametrenin -35 db olduğu düşünülürse, bu sonuçlar da hedeflenen değerleri fazlasıyla karşılamaktadır. Şekil 9: İletim portunun geri dönüş kaybı 326

5 Şekil 11: CNC de işlenmesi için deri kalınlığı eklenmiş OMT Projemize verdiği desteklerden dolayı TÜBİTAK ve Profen AŞ ye teşekkürü bir borç biliriz. Şekil 10: Alım portunun geri dönüş kaybını gösteren grafik 4. TARTIŞMA VE SONUÇ Hedeflenen Çapraz Polarizasyon İzolasyonu < -35 db değeri, db değerleri alış bandında 0.01 db civarındaki değeri ve her kapıda -21 db den düşük geri dönüş kaybı ile hem [2] hem de [7] de verilen benzer çalışmaların fevkinde bir sonuç elde edilmiştir (Bkz. Şekil 7,8,9,10). Çapraz polarizasyon izalasyonu değeri -300 db civarındaki değeri ile mukayese kabul etmez bir üstünlüğe sahip olduğu görülmektedir (Şekil 6). Ölçüm sonuçlarında da bu değerler elde edildiği takdirde OMT nin alım portuna bağlı LNB yi korumaya yönelik kullanılan iletimi reddeden filtreye (Transmit Reject Filter) gerek kalmadığı gibi bir sonuca işaret etmektedir. OMT nin CNC de işlenebilmesi için, makine çizimleri yapılmış ve 2 mm lik bir deri kalınlığı eklenmiştir. Şekil 11 de bu makine çizimi görülebilmektedir. 5. KAYNAKLAR [1] Anton M. Bøifot, Classification of Orthomode Transducers, 1991, European Transactions on Telecommunications, VOL:2, Issue:5, sf [2] Juan L. Cano, Abdelwahed Tribak, Roger Hoyland, Angel Mediavilla,Eduardo Artal, Full Band Waveguide Turnstile Junction Orthomode Transducer with Phase Matched Outputs, 2010 Wiley Periodicals, INC. [3] Abdelwahed Tribak, Juan L. Cano, Angel Mediavilla, and Mohamed Boussouis, Octave Bandwidth Compact Turnstile-Based Orthomode Transducer, 2010 IEEE Microwave And Wireless Components Letters, VOL. 20, NO. 10, [4] Sang-Gyu Park, Hoon Lee, Yong-Hoon Kim, A Turnstile Junction Waveguide Orthomode Transducer for the Simultaneous Dual Polarization Radar, 2009 IEEE [5] J.A. Ruiz-Cruz, J.R. Montejo-Garai, J.M. Rebollar and J.M. Montero, C-band orthomode transducer for compact and broadband antenna feeders, 2009 ELECTRONICS, Vol. 45 No. 16 [6] Umar Rashid, Design and Simulation of Orthomode Transducer in Ku-Frequency Band on HFSS,2008 IEEE [7] Jorge A. Ruiz-Cruz, Jose R. Montejo-Garai, Jesus M. Rebollar, Carlos E. Montesano, and Maria J. Martin Very Compact Ortho-Mode Transducers Wıth Double Septum Confıguratıon, 2006 Microwave And Optical Technology Letters, Vol. 48, No. 4. [8] J. M. Rebollar, J. Esteban, and J. De Frutos, Asymmetrıc Double-Band Orthomode Transducer Wıth Hıgh Polarızatıon Purıty, 1999, Mıcrowave And Optıcal Technology Letters, Vol. 21, No. 4. [9] Jaroslaw Uher, Jens Bornemann, Uwe Rosenberg, Waveguide Components for Antenna FeedSystems: Theory And CAD, Artech House. [10] Microwave Support Team, WASP-NET Waveguide Synthesis Program for Waveguide Networks - Software Tutorial Manual,. 327