FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI TASARIMI VE GERÇEKLEMESĐ. YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Osman CEYLAN

Transkript

1 ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI TASARIMI VE GERÇEKLEMESĐ YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Osman CEYLAN Anabilim Dalı : Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Programı : Elektronik Mühendisliği Tez Danışmanı: Öğr. Gör. Dr. H. Bülent YAĞCI HAZĐRAN 2009

2

3 ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ FREKANS MODÜLASYOLU SÜREKLĐ DALGA RADARI TASARIMI VE GERÇEKLEMESĐ YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Osman CEYLAN ( ) Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 04 Mayıs 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 04 Haziran 2009 Tez Danışmanı : Öğr. Gör. Dr. H. Bülent YAĞCI (ĐTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Sema OKTUĞ (ĐTÜ) Doç. Dr. Selçuk PAKER (ĐTÜ) HAZĐRAN 2009

4

5 iii Anneme ve babama,

6 iv

7 ÖNSÖZ Öncelikle lisans ve yüksek lisans eğitimim boyunca her konuda bana destek olan danışmanım Sayın Dr. H. Bülent Yağcı ya teşekkür etmek istiyorum. Teori ile gerçekler arasındaki köprüyü kurma konusunda bilginin ve bilgiyi kullanabilmenin önemini bana en iyi şekilde göstererek mühendislik mesleğinin güzelliğini bir kez daha anlamamı sağlamıştır. Farklı ve tecrübe dolu görüşleriyle sentezlenmiş hayata dair tavsiyelerini de ömrüm boyunca hiç aklımdan çıkarmayacağım. Çalışmalarım sırasında tasarım sorunlarımla sabırla ilgilenen Sayın Doç. Dr. Selçuk Paker e teşekkür ederim. Yüksek lisans eğitimim sırasında en önemli kararları verdiğim anlarda yanımda olan Sayın Müh. Sevcan Erşan a en içten duygularım ile teşekkür ederim. Benden uzakta olsalar da her an yanımdaymış gibi desteklerini sürdüren aileme de sonsuz teşekkür ederim. Yüksek lisans eğitimim süresince beni maddi olarak destekleyen TÜBĐTAK a ve tezimin gerçeklenmesi için gerekli maddi desteği sağlayan ĐTÜ ye de teşekkürlerimi sunarım. Mayıs 2009 Osman Ceylan (Elektronik Mühendisi) v

8 vi

9 ĐÇĐNDEKĐLER ÖNSÖZ...v ĐÇĐNDEKĐLER...vii KISALTMALAR...ix ÇĐZELGE LĐSTESĐ...xi ŞEKĐL LĐSTESĐ...xiii ÖZET...xv SUMMARY...xii 1. GĐRĐŞ Tezin Amacı ve Kapsamı Çalışmanın Katkıları RADAR Giriş Radar Tipleri FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI Kısa Tarih Özellikleri Kullanım Alanları Matematiksel Model FMSD Radarının Đç Yapısı Gerilim kontrollü osilatör Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı Anten Antenlerin temel özellikleri Çok kullanılan anten tipleri 24 Tel tip antenler 24 Açıklıklı antenler 25 Yansıtıcı antenler 26 Mikroşerit antenler Üçgen dalga üretici Karıştırıcı (Mixer) Kuvvetlendirici GERÇEKLENEN RADARIN ANALĐZĐ Sistemi Oluşturan Yapılar Mesafe Ölçümü SONUÇLAR ve GELECEKTEKĐ ÇALIŞMALAR...46 KAYNAKLAR...49 EKLER...51 Sayfa vii

10 viii

11 KISALTMALAR ÇFFMB FMCW FMSD GKO PCB : Çeyrek Faz Farklı Melez Bağlayıcı : Frequency Modulated Continious Wave : Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga : Gerilim Kontrollü Osilatör : Printed Circuit Board ix

12 x

13 ÇĐZELGE LĐSTESĐ Sayfa Çizelge 3.1 : Tasarım şartları...14 Çizelge 3.2 : HMC530LP5 özellikleri...15 Çizelge 3.3 : Tasarım şartları...17 Çizelge 3.4 : Bağlayıcı benzetimi sonuçları Çizelge 3.5 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları Çizelge 3.6 : HMC412MS8G özellikleri Çizelge 4.1 : Ölçüm sonuçları xi

14 xii

15 ŞEKĐL LĐSTESĐ Şekil 2.1 : Radarın algılama yöntemi...3 Şekil 2.2 : Radarın iç yapısı...5 Şekil 2.3 : Darbe radarının iç yapısı...6 Şekil 2.4 : Darbe radarı işaret şekilleri...6 Şekil 3.1 : Bentley radarı...7 Şekil 3.2 : FMSD radarı alıcı ve vericideki işaretlerin frekansının zamana değişimi..8 Şekil 3.3 : Đrtifa ölçümü...9 Şekil 3.4 : Seviye ölçümü...9 Şekil 3.5 : Taşıt uyarı sistemi...10 Şekil 3.6 : Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarının temel yapısı...12 Şekil 3.7 : Üçgen dalga ile modüle edilmiş işaret...13 Şekil 3.8 : Agilent EXA Signal Analyzer N9010A dan ölçülen GKO çıkış gücü.16 Şekil 3.9 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı...17 Şekil 3.10 : Bağlayıcı yapısının radarda kullanımı...17 Şekil 3.11 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı tasarımı...18 Şekil 3.12 : Benzetim sonucunda bağlayıcının yalıtım ve yansıma değerleri...19 Şekil 3.13 : Benzetim sonucunda bağlayıcının iletim değerleri...19 Şekil 3.14 : Tasarımın gerçeklenmiş hali...20 Şekil 3.15 : Tasarımın ölçüm sonuçları...21 Şekil 3.16 : Dipol anten...22 Şekil 3.17 : Çevrim anten...23 Şekil 3.18 : Korna anten...23 Şekil 3.19 : Yama anten...24 Şekil 3.20 : Tasarlanan yama anten...25 Şekil 3.21 : Anten empedansı...25 Şekil 3.22 : Dört elemanlı anten dizisi...26 Şekil 3.23 : Dört elemanlı anten dizisi tasarımı...27 Şekil 3.24 : Anten dizisinin empedansı...27 Şekil 3.25 : Anten dizisinin S11 (yansıma) değerleri...28 Şekil 3.26 : HFSS de tasarlanan yapı...28 Şekil 3.27 : S11 verisi...29 Şekil 3.28 : Empedans değerleri...29 Şekil 3.29 : Anten kazancı...30 Şekil 3.30 : Anten üzerindeki elektrik alan dağılımı...30 Şekil 3.31 : Üretilen antenin önden görünüşü...31 Şekil 3.32 : Üretilen antenin arkadan görünüşü...31 Şekil 3.33 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları...32 Şekil 3.34 : Üçgen dalga üretici ve tampon devresi...34 Şekil 3.35 : Üçgen dalga üretici baskı devresi (üstten görünü)...34 Şekil 3.36 : Üçgen dalga üretici devresinin önden ve arkadan görünüşü...35 Şekil 3.37 : Karıştırıcı yapısı...35 Şekil 3.38 : Karıştırıcı girişlerinin bağlayıcıdan yapılışı...36 Sayfa xiii

16 Şekil 3.39 : Kuvvetlendirici...37 Şekil 3.40 : Kuvvetlendiricinin kazanç bant genişliği grafiği...37 Şekil 4.1 : Montajlanmış ÇFFMB nin önden ve arkadan görünüşü...39 Şekil 4.2 : FMSD radarı parçaları...39 Şekil 4.3 : Kuvvetlendirici çıkışından ses kartına bağlantı...40 Şekil 4.4 : Gürültü analizi...41 Şekil 4.5 : Ölçüm sonuçları...43 xiv

17 FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI TASARIMI VE GERÇEKLEMESĐ ÖZET Radarlar mikrodalga elektroniğinin en kapsamlı ve karmaşık konularındandır. Birden çok yapıyı (karıştırıcı, gerilim kontrollü osilatör, anten vb.) içermesinin yanı sıra bu yapıları uyumlu bir şekilde çalıştırmak da gerektiğinden önemli bir mühendislik uygulamasıdır. Savunma sanayi başta olmak üzere endüstriyel uygulamalarda da önemli bir kullanım alanı vardır. Radarlar ile bir cisme olan uzaklık, cismin hızı ve açısal konumu belirlenebilir. Tez kapsamında bir Sürekli Dalga Kısa Mesafe Radarı nın (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) tasarımı öncelikle bilgisayar ortamında yapılmış, daha sonra gerçeklenerek testleri yapılmıştır. Tasarım esnasında AWR WMO, Ansoft HFSS, MATLAB, Orcad PSpice yazılımları kullanılmıştır. AWR yazılımı ile anten, anten dizisi ve melez bağlayıcı (hybrid coupler) tasarlanmıştır. Tasarlanan anten dizisinin HFSS ile de benzetimi yapılarak 2 farklı elektromanyetik benzetim programı ile tasarım doğrulanmıştır. PSpice ile karıştırıcı çıkışına bağlanacak kuvvetlendirici tasarımı yapılmıştır. MATLAB ile de radar işaretinin analizi yapılmıştır. Bütün elektronik devre kartlarının tasarımları yazılımlar ile yapılmış ve üretimleri Türkiye deki yerli elektronik kart üreticilerine yaptırılmıştır. Radarın parçaları öncelikle ayrık olarak tasarlanmış, üretilmiş ve test edilmiştir. Đlk olarak anten tasarımı yapılmış ardından antenlerin bant genişliğine uygun bağlayıcı tasarlanmıştır. Bu bant genişliğinde işaret üretebilmek için gerekli kontrol devresinin tasarımının ardından karıştırıcı çıkışındaki işareti kuvvetlendirmek üzere düşük gürültülü bir kuvvetlendirici tasarımı yapılmıştır. Bütün ayrık parçalar çalışır hale getirildikten sonra sistem birleştirilerek radar oluşturulmuş ve testler yapılmıştır. Radarın tamamlanmasının ardından mesafe testleri yapılmıştır. Öncelikle boşta çalışma gürültüsünü belirlemek için radar anteni gökyüzüne tutulmuş ve veri kaydı yapılmıştır. Daha sonra farklı mesafelerdeki hedefler ile ölçüm yapılmıştır. Hedeften alınan işaretin boşta çalışma gürültüsünden çıkartılması ile hedeften dönen işaret elde edilmiş ve analizi yapılmıştır. Tasarlanan radar başarılı bir şekilde çalıştırılmış ve beklenilen hata ölçüleri içerisinde yeterli doğrulukta ölçüm yapılmıştır. Çalışma sonunda mikrodalga elektroniği konusunda önemli bir tasarım ve üretim bilgisi kazanılmıştır. Gelecek çalışmalar için önemli bir temel oluşturulmuştur. Anten dizisinin geliştirilmesi, daha yüksek güçte tasarımların yapılması ve mikrodenetleyici kullanımı ile daha yetenekli ve daha düşük maliyetli tasarımların hazırlanabileceği öngörülmüştür. xv

18 xvi

19 FREQUENCY MODULATED CONTINUOUS WAVE RADAR DESIGN AND APPLICATION SUMMARY Radar is one of the most important and compherensive part of microwave electronics. Radars contain lots of structure (antenna, mixer, VCO, etc.) and it is necessary to work them synchronic. So a radar design is a significant engineering application. Defence and commercial industries use radar for measurements and target tracking. A radar can detect target s velocity, distance and angular position. By the thesis project, a frequency modulated continuous wave radar was designed and realized for short range measurements. AWR WMO, Ansoft HFSS, MOTLAB and Orcad PSpice softwares were used at design period. Antenna and antenna array, hybrid coupler were designed by ARW WMO. Antenna array was simulated by Anfost HFSS again. So array design was checked twice by different electrmagnetic analysis softwares. Low noise amplifier was designed by Orcad PSpice. Radar signals were processed by MATLAB. All PCB designs were done by softwares and manufactured in Turkey. Radar parts were designed, manufactured and tested one by one. Firstly antenna design was copmleted. Antennas bandwidth determined couplers center frequency and to produce this signal from VCO, a control circuit was designed. Finally mixer s IF output a low noise amplifier was designed. After the production of parts, they were connected each other. To determine radar noise its antenna was guieded to sky. After saving noise data, distance measurements were done and analysed by MATLAB. End of the project distance measurement was succesfully done by the designed FMCW radar in determined tolerance interval. xvii

20 xviii

21 1. GĐRĐŞ Radarlar mikrodalga elektroniğinin en kapsamlı ve karmaşık konularından birisidir. Birçok farklı devre türünü (osilatör, karıştırıcı (mixer), anten, süzgeç, bağlayıcı (coupler), kuvvetlendirici ) içermesinden dolayı, bünyesinde barındırdığı yapıları tek tek çalışır duruma getirmenin yanı sıra bir arada çalışmalarını da sağlamak gerektiği için gerçek anlamda bir mühendislik uygulaması olarak kabul edilebilir. Savunma sanayi başta olmak üzere endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılan radarlar mikrodalga alanındaki gelişmelerin de etkisiyle geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Endüstrinin temel unsuru olan yetenekli ve düşük maliyetli sistemlerin üretilebilmesiyle de endüstrideki mekanik ölçüm düzenlerinin yerini yavaş yavaş almaktadır. Radarlar ile hız, mesafe ve açısal konum tespiti yapılabilmektedir. Bir radarın yeteneğini belirten unsurlar radarın ölçüm mesafesi ve ölçüm hatasının düşüklüğüdür. Ölçüm mesafesi daha çok radarın gücü ile doğru orantılı olmaktadır. Yüksek güçlü radarlar yüksek maliyetli olup genelde savunma sistemlerinde kullanılan radarlar bu sınıftadır. Bilimsel amaçlı radarlar da genelde yüksek güçlüdür. Radarların ölçüm hatası radarın kullanım amacına göre değişebilir. Örneğin deniz seyrüsefer sistemlerinde km menzilli bir radarın birkaç metre ölçüm hatası yapması normaldir, ancak titreşim ölçümünde kullanılan bir radarın ölçüm hatasının milimetrenin binde birine kadar inmesi beklenebilir. Mikrodalga devrelerinin haberleşme dışında kullanımına güzel bir örnek olan radarların sivil uygulamalarda da kullanımının yaygınlaşmasıyla sanayide otomasyon sistemlerine entegre olarak üretim kalitesini ve maliyetini etkileyecek unsurlardan olacaktır. 1

22 1.1 Tezin Amacı ve Kapsamı Tez kapsamında bir kısa mesafe radarının tasarımı ve gerçeklemesi yapılmıştır. Düşük güçlü radar uygulamalarından olan frekans modülasyonlu sürekli dalga radarı (FMCW, frequency modulated continuous wave) tasarlanmıştır. Amaç, düşük maliyetli bir kısa mesafe radarının düşük güç tüketecek şekilde küçük hacimli olarak tasarlanmasıdır. Bu sayede endüstride kullanılan mekanik veya sensör tabanlı sistemlerin yerini tutabilecek bir sistemin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Klasik sensörlü veya mekanik ölçüm sistemleri sıcaklık, ortamdaki kimyasallar ve nem gibi etkenlerden ciddi derecede etkilenmektedirler. Radarın ölçüm yaptığı nesneden bağımsız olması nesneden kaynaklanacak ölçüm hatalarının da önüne geçecektir. Radar bünyesinde bulunan anten, melez bağlayıcı (hybrid coupler), modülatör, süzgeç ve kuvvetlendirici tasarımı yapılmış ve karıştırırı, gerilim kontrollü osilatör dahil olmak üzere bütün yapılar uygun teknikler ile birbirine bağlanmıştır. Her devre öncelikle ayrık olarak, sonra bütün halinde bilgisayar ortamında tasarlanmış ve benzetim sonuçlarının incelenmesinin ardından tek tek üretilmiştir. Son aşamada ayrık olarak tasarlanan bütün parçalar birleştirilerek sistem bir bütün haline getirilerek çalıştırılmıştır. 1.2 Çalışmanın Katkıları Mikrodalga devrelerin endüstride kullanımının yaygınlaşması için ara eleman gerekmeksizin endüstride kullanılabilecek şekilde bir tasarım yapılmıştır. Bu çalışma ile mikrodalga elektroniği konusunda önemli bir tasarım ve üretim tecrübesi kazanılmıştır. Mikroşerit devre, yama anten gibi yüksek frekans elektroniği yapılarının baskı devre üretiminin Türk firmaları tarafından yapılması onlar için de ayrı bir tecrübe olmuştur. Gelecek çalışmalar için tasarım adımları ayrıntılı olarak anlatılmış ve teorik hesaplamalar ile ölçülen sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Benzer yapılar ile kıyaslandığında ise üretiminin kolay olması, az devre elemanı içermesi ve küçük hacmi ile daha avantajı konumdadır (Uhlig ve diğerleri, 2004) (Kulke ve diğerleri,2005). Đleri çalışmalarda gerilim kontrollü osilatör ve karıştırıcının da tasarımlarının basit olarak yapılması ile ciddi derecede maliyet avantajı da sağlanacaktır. 2

23 2. RADAR 2.1 Giriş RADAR Đngilizce Radio Detection and Ranging kelimelerinden oluşur. Radyo Algılama ve Mesafe Belirleme anlamına gelir. Radar; en genel haliyle bir alıcı, verici ve işaret işleme yapılarından oluşur. Vericiden gönderilen radyo işareti hedefe çarpıp yansır (Şekil 2.1). Yansıyan işaret alıcı tarafından algılanır ve işlenerek hedefin hızı ve konumu hakkında bilgi edinilir. Şekil 2.1 : Radarın algılama yöntemi. Alman mühendis Christian Hülsmeyer tarafından 1904 yılında uzaktaki metal nesnelerin varlığını tespit edebileceğini söylemiş ve yoğun sisli bir günde uzaktaki bir geminin varlığını tasarladığı sistem ile tespit etmiştir. Bu sistemin Đngiltere de 1904 yılında kayıt numarası ile patentini almıştır. Nikola Tesla 1917 de ilkel radarın tanımını yaptı. Đlerleyen zamanda Đkinci Dünya Savaşı ndan önce Amerika, Sovyetler Birliği, Almanya, Fransa ve Đngiltere önemli çalışmalar yapmıştır. Radarların ciddi anlamda ilk kullanımı 2. Dünya Savaşı sırasında olmuştur. Savaş süresince ve sonrasındaki teknolojik ilerlemeler ile ( bilgisayarların keşfi, mikrodalga alanındaki ilerlemeler) hızla gelişmiş ve hem askeri hem de sivil uygulamalarda sıklıkla kullanılmaya başlanmıştır. Radarın sivil kullanım alanlarından bazıları: Havalimanı gözetleme sistemleri Deniz seyrüsefer sistemleri 3

24 Hava durumu tahminleri Altimetre olarak (yükseklik ölçümü) Alarm sistemleri Uçak iniş-kalkış sistemleri Hız ölçümü (polis radarları) Haritacılık Bilimsel kullanım alanlarına verilebilecek örnekler: Uzay araştırmaları (uydu konumlandırma, radyo ve radar astronomisi, ) Haritacılık Hassas mesafe ölçümü Uzaktan izleme Askeri kullanım alanlarına ilişkin örnekler: Hava-deniz taşıtları sefer sistemleri Hava-deniz taşıtlarını algılama Akıllı füzelerde Düşman gözetleme sistemlerin Atış kontrol sistemleri 2.2 Radar Tipleri Radarlar en genel haliyle sürekli dalga ve darbe radarları olarak ikiye ayrılır. Sürekli dalga radarlarında verici sürekli bir işaret üreterek hedefe gönderir. Hareketli hedeften yansıyıp gelen işaretin Doppler Etkisi nden dolayı frekansında ve fazında bir değişim meydana gelir. Bu değişimin algılanması esasına dayalı olarak çalışır. Doppler etkisinden dolayı gönderilen işaretin fazındaki değişim aşağıdaki gibi olacaktır: =2 = =4 =4 (2.1) 4

25 Doppler açısal frekansı, doppler frekans kaymasını, hedefin göreli hızını Belirtmektedir. Doppler frekans kaymasının ifadesi: = 2 =2,hedefe gönderilen işaretin frekansı,c ışık hızı (2.2) Sürekli dalga radarlarında sürekli işaret gönderimi olduğu için sürekli ölçüm yapılabilmektedir. Gönderilen işaret, radarın kullanım amacına göre modülasyonlu veya modülasyonsuz olabilir. Temel olarak modülasyonsuz bir sürekli dalga radarının çalışma şekli Şekil 2.2 de verilmiştir. fo Anten fo Sürekli Dalga Üretici fo fo ± fd fo ± fd fo Algılayıcı (Karıştırıcı) (mixer) fd Kuvvetlendirici fd Gösterge İşaret İşleme Şekil 2.2 : Radarın iç yapısı. Sürekli dalga radarlarında hedefin hareketsiz olması durumunda doppler etkisi oluşmayacağı için ya da çok yavaş hareket ettiğinde ölçülemeyecek kadar küçük bir etki oluşacağı için algılama yapılamamaktadır. Darbe radarları genel olarak ikinci tür radar gurubunu oluşturur. Darbe radarlarında hedefe bir darbe işareti gönderilir. Hedeften yansıyan işaret alıcı tarafından algılanır. Algılama süresi kullanılarak hedefin uzaklığı tespit edilir. Fazdaki değişimden yola çıkılarak da hedefin açısal konumu belirlenebilir. Bu tür radarlarda sürekli ölçüm yapılarak hedefin yaptığı değişikliklerin tespiti ile hedefin hızı bulunabilir, ancak hedefin etrafındaki sabit cisimlerden oluşabilecek yansımalar ölçümü oldukça zorlaştırabilir (Skolnik, 1962). Bu nedenle darbe radarlarında sürekli bir dalga darbe işareti ile modüle edilerek hedefe gönderilir (Şekil 2.3, 2.4). Doppler-darbe radarı denilen bu yapı ile sadece yansıyan işaretteki doppler etkisini de kullanarak sabit cisimlerden gelen gürültüler hedeften yansıyan işaretten db fazla bile olsa algılama yapabilmektedir (Skolnik, 1962). 5

26 Şekil 2.3 : Darbe radarının iç yapısı. Şekil 1.4 : Darbe radarı işaret şekilleri. Sürekli dalga radarlarının mesafe bulamamamı, darbe radarlarının da karmaşık fiziksel yapılar farklı yöntemlerin aranmasına yol açmıştır. Sürekli dalga radarına ayrık bir zamanlama yapısı eklenerek mesafe ölçümü yapılabilir (Skolnik, 1962). Ayrık bir zamanlama yapısı gönderilen işaretin frekans bandında genişlemeye sebep olur, yani frekans bandında bir genişleme yapılabilirse yansıyıp gelen işaretin süresi daha net ölçülebilir, bu genişleme de sürekli dalga modüle edilerek yapılabilir (Skolnik, 1962). Bu yöntem frekans modülasyonlu sürekli dalga radarlarının keşfinin temeli olmuştur. 6

27 3. FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI 3.1 Kısa Tarih Frekans modülasyonunun mesafe tespitinde kullanımı fikri 1900 lerin başında ortaya atılmıştır. Đlk pratik kullanımı 1928 de J.O. Bentley tarafından Uçak Đrtifa Gösterge Sistemi adı ile patent alınarak kullanılmaya başlamıştır (Komarov ve Smolskiy, 2003). Bentley in radarının oldukça basit bir yapısı vardı (Şekil 3.1) VERİCİ ALICI Elektrik Motoru Şekil 3.1 : Bentley Radarı. Verici işareti bir motor yardımıyla ayarlı bir kondansatör kullanarak üçgen dalga ile modüle edilerek hedefe gönderiliyordu. Alıcının giriş katı verici frekansına göre akort edilmekteydi. Alıcıya gelen işaret belli bir τ gecikmesinden sonra geleceği için farklı frekansta olacağı için alıcıda işaret karışımı olmamaktadır (Şekil 3.2 : FMSD radarı alıcı ve vericideki işaretin frekansının zamanla değişimi.). 7

28 Şekil 3.2 : FMSD radarı alıcı ve vericideki işaretin frekansının zamanla değişimi. Aradaki bu fark bir karıştırıcı (mixer) ile belirlenmektedir. Bu farkın gecikme ile doğru orantılı olduğu Şekil 3.2 de görülmektedir. Bu uygulamanın endüstriyel olarak kullanıma başlaması 1930 ların sonlarında yüksek frekans tekniklerinin gelişmesiyle olmuştur (30 MHz). Özellikle 2. Dünya Savaşı sırasında uçaklarda irtifa metre olarak kullanılmıştır ların sonlarına doğru darbe radarlarının ortaya çıkmasıyla unutulmuş, zamanla çok hassas ölçümlerin yapılması ihtiyacı gündeme geldiği için tekrar hatırlanmıştır (Komarov ve Smolskiy, 2003). 3.2 Özellikleri Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarlarının başlıca özellikleri (Komarov ve Smolskiy, 2003): Çok küçük mesafeleri ölçebilir. Aynı anda hem hız hem de mesafe tespiti yapabilir. Çok düşüm ölçüm hatası ile ölçüm yapar. Kullanılan işaretin dalga boyundan çok daha küçük değişimleri fark edebilir. Karıştırma işleminden sonra elde edilen işaret modülasyon frekansı ile orantılıdır ve çok rahat işlenebilir. Anlık darbe gürültülerine karşı güvenlidir. Radar boyutları en basit haliyle kullanılan mikrodalga blokların büyüklüğüne bağlıdır. Hafiftir, düşük gerilimler ile çalışabildiği için az enerji tüketir. 8

29 3.3 Kullanım Alanları FMSD radarları işaret işlemedeki ve mikrodalga alanındaki gelişmelerin etkisiyle maliyet ve boyut avantajlarının yanı sıra kullanıcı dostu olmasından dolayı askeri uygulamalar kadar endüstriyel uygulamalarda da yoğun olarak kullanılmaya başlamıştır. FMSD radarlarının keşfinden sonra ilk kullanım amacı olan irtifa ölçümünü (altimetre) için hala kullanılmaktadır (Şekil 3.1). Şekil 3.1: Đrtifa ölçümü. Sanayideki en büyük kullanım alanı ise seviye ölçümlerindir. Sıvı tanklarında ve tahıl silolarında sıkılıkla kullanılmaktadır. Sıvıya prob, şamandıra gibi nesneler temas etmediği için tercih edilmektedir. Çok yüksek hassasiyetle ölçüm yapılabildiği için her boyutta silo veya tank içerisinde kullanılabilmektedir (Şekil 3.4). Şekil 3.4 : Seviye ölçümü. 9

30 FMSD radarlarının en çok kullanıldığı alan seyrüsefer sistemleridir (Komarov ve Smolskiy, 2003). Birkaç yüz metreden birkaç on kilometre mesafelerde güvenle kullanılmaktadır. Özellikle görüş mesafesinin düşük olduğu zamanlarda körfez, kanal gibi yerlerde ciddi bir önem kazanmaktadır. Ayrıca çok büyük gemilerin limana yanaşmaları esnasında gemi gövdesinin liman duvarına ne kadar yaklaştığı hassas olarak belirlenebilmektedir. Ucuz ve kullanıcı dostu olması sebebiyle sıklıkla kullanılmaktadır. Son zamanlarda otomotiv sanayi FMSD radarlarını üzerine ciddi çalışmalar yapmaya başlamıştır. Özellikle kaza erken uyarı sistemleri ve park sensörü olarak otomotiv dünyasında kullanım alanı bulan FMSD radarlar yüksek hassasiyet ve bir otomasyon sistemi sayesinde şoföre anlık bilgi vermektedir. Öndeki araca olan mesafe, arkadan yaklaşmakta olan aracın uzaklığı seyir esnasında ve aracın dört tarafından gelen veriler ile de park etme esnasında şoföre yardımcı olmaktadır (Şekil 3.5). Otomasyon sistemi ile gerektiğinde alarm durumuna geçerek olası kazaları da önleme konusunda önemli rol oynar. Şekil 3.5 : Taşıt uyarı sistemi. 10

31 Sabit nesnelere olan mesafenin hassas ölçümü gerektiğinde de FMSD radarlar kullanılmaktadır. Örneğin, kar ve buz kalınlığı ölçümü, jeodezik ölçümler. Bu tür ölçümlerde ölçüm istasyonu bir defalık olarak kurulur ve uzun süre bilgi toplanır. Örneğin kar seviyesi tehlikeli hale geldiğinde çığ uyarısı gibi koruyucu önlemler alınarak olası kazaların önüne geçilir. Bilimsel çalışmalarda da sıklıkla kullanılmaktadır. Makinelerdeki titreşim gibi çok küçük değişimler de FMSD radarlar ile makineye hiç müdahale etmeden rahatlıkla ölçülebilmektedir. Örneğin λ=7.2mm olan bir işaret kullanarak 10µm lik bir değişiklik 1ºfaz kaymasına sebep olur, bu değişimi mikrodalga yapılar ile ölçmek çok zordur ve uygulamalarda tercih edilmez. Ancak bir FMSD radar ile bu değişiklik alıcı çıkışında düşük frekanslı bir işaret olarak alınacaktır. Böylece hassas ölçüm çok daha az maliyetle yapılabilecektir. Makineye temas etmediği için diğer sensörler gibi makinenin yaydığı sıcaklık, nem gibi bozucu etkilerden etkilenmez. 3.4 Matematiksel Model Darbe radarlarında hedefe gönderilen işaret bir gecikme ile alıcı tarafından algılandığı için gönderilen ve yansıyan işaretin birbirine karışmaz. Ancak sürekli dalga radarlarında sürekli bir işaret gönderimi ve alımı olduğu için iki işareti birbirinden ayırmak olanaksızdır (Komarov ve Smolskiy, 2003). Bu ayrımı yapmak için hedefe gönderilen işareti modülasyonlu olmalıdır. En uygun modülasyon şekli de frekans modülasyonudur. Bu sayede gönderilen işaret yansıyıp geldikten alıcı kısmında farklı bir frekansta algılanacağı için iki işareti birbirinden ayırmak çok daha kolay olacaktır. 11

32 Şekil 3.6 : Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarının temel yapısı. Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarında verici antenden yayılan işaretin ifadesi: ( )= ( ) ( ) (3.1) ( ) ifadesi işaretin genliği, ( ) de işaretin fazıdır. Antene gönderilen işaretten bir örnek de karıştırıcıya gönderilir. ( )= ( ) ( ) (3.2) Hedeften yansıyıp gelen işareti ise: = (, ) (, )= ( ) [ ( )+ ] (3.3) Şeklinde olacaktır. 12

33 τ zaman gecikmesidir. k 1 ise genlikteki zayıflamadır. Bu işaret (3.2) denkleminde verilen işaret ile karıştırıldığında elde edilen işaret: ( )= (, ) [ ( ) (, ) ]+ ( ) (3.4) olur. (3.4) ifadesindeki ilk terim alıcı tarafından algılanan işaretin karıştırıcı çıkışındaki halidir. Đkinci terim ise karıştırıcıya gönderilen işaretin genliğidir. k 2 ve k 3 katsayıları ise karıştırıcının gerilim kazancını tanımlar. (3.4) ifadesinde sadece ilk terim anlamlıdır ve hedef hakkında mesafe ve hız bilgisi içerir. Đkinci terim gürültü işaretidir. Şekil 3.7: Üçgen dalga ile modüle edilmiş işaret R hedefe olan uzaklık c de elektromanyetik işaretlerin boşluktaki yayılma hızı olarak alınırsa gecikme süresi aşağıdaki gibidir: = (3.5) Radar işaretinin bant genişliği ve periyodu karıştırıcı çıkışından elde edilecek işaretin frekansını belirler. (BW bant genişliği, T periyot, τ gecikme süresi) = (3.6) 13

34 Bant genişliği radarın çözünürlüğünü belirler: = (3.7) Bant genişliği radarın en küçük ölçüm mesafesini de belirler: üçü = (3.8) Bant genişliği bir radarın en önemli parametrelerindendir. Bandın geniş tutulması devre üretimin tekniğini ve anten tipini de belirleyen önemli etkenlerdendir. 3.5 FMSD Radarı Yapıları FMSD radarlarındaki temel yapılar gerilim kontrollü osilatör (VCO), devir ettirici (circulator) veya melez bağlayıcı (hybrid coupler), anten, karıştırıcı, modülatör, alt geçiren süzgeç ve düşük gürültülü kuvvetlendiricidir. Tasarlanacak radarın 1 metre çözünürlük ile 50 metre mesafede çalışması planlanmaktadır. Merkez frekans 10 GHz alındığı takdirde (3.5)(3.6)(3.7) ifadeleri kullanılarak aşağıdaki veriler elde edilmiştir. Tasarımlarda bu veriler kullanılarak devrelerin özellikleri belirlenmiştir. Çizelge 3.1 : Tasarım şartları Çözünürlük Bant genişliği Tarama frekansı Frekans sapması 1m 150 MHz 100 Hz 0-5 khz 14

35 3.5.1 Gerilim kontrollü osilatör Çıkış işaretinin frekansının DC gerilim ile ayarlandığı osilatördür. K o osilatör kazancı (Hertz / Volt) ise çıkış frekansının ifadesi aşağıdaki gibi olacaktır: ç ş = ş ( ) (3.9) Gerilim kontrollü osilatörler faz kilitlemeli çevrim yapılarında, fonksiyon jeneratörlerinde ve modülasyon için kullanılır. Tez kapsamında gerilim kontrollü osilatör tasarımı yapılmamıştır. Hittite firmasının HMC530LP5 kodlu ürünü kullanılmıştır. Bazı önemli parametreleri şu şekildedir: Çizelge 3.2 : Tasarım şartları Frekans Aralığı Çıkış Gücü SSB faz gürültüsü Ayar Gerilimi Çektiği akım GHz 8-14 dbm -110dBc/Hz 2-12 V ma GKO merkez frekans 10.2 GHz olacak şekilde başlığında bahsedilen üçgen dalga işaret üretici ile kontrol edilmektedir. GKO çıkışı Agilent EXA Signal Analyzer N9010A cihazına bağlanarak çıkış izlenmiştir (Şekil 3.8). Çıkış gücü yaklaşık olarak 12 dbm seviyesindedir. 15

36 Şekil 3.8 : Agilent EXA Signal Analyzer N9010A dan ölçülen GKO çıkış gücü Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı (Quadrature hybrid coupler) Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı girişindeki işareti güçleri eşit olacak şekilde ikiye böler. Çıkıştaki işaretlerin faz farkı 90º olur. Zo Zo/ 2 Zo Giriş Çıkış 1 λ/4 Yalıtılmış çıkış Zo λ/4 Zo Çıkış 2 Zo/ 2 Şekil 3.9 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı. 16

37 4 kapılı bu yapıda giriş ile yalıtılmış çıkış arasında herhangi bir güç iletimi olmaz. Yapı simetrik olduğu için (3.9) giriş ve çıkışlar kullanım yönüne bağlıdır. Ancak çıkışlar her zaman girişin karşısında olur. Genelde mikroşerit (microstrip) veya şerit hat (stripline) şeklinde yapılır (Pozar, 2005). Yapının [S] matrisi aşağıdaki gibidir: [S]= (3.10) Radar tasarımında gerilim kontrollü osilatör, karıştırıcı ve anteni birlikte kullanabilmek için çeyrek faz farklı melez bağlayıcı kullanılmıştır. Şekil 3.10 : Bağlayıcı yapısının radarda kullanımı. Yapı AWR MWO yazılımı ile Taconic TLX-8 taban (0.76mm kalınlığında) kullanılarak tasarlanmıştır. Çizelge 3.3 : Tasarım şartları ε 2.55 Tand Bakır kalınlığı mm Zo 50Ω, merkez frekans 10.2 GHz seçilerek tasarım yapılmıştır (Antenler 10.2 GHz de çalıştığı için tasarım 10.2GHz ye göre yapılmıştır). Hat kalınlıkları ve uzunlukları WMO yazılımının TXLINE aracı kullanılarak hesaplanmıştır. Yazılım ile tasarlanan bağlayıcı Şekil 3.9 da verilmiştir. Benzetim ortamı 0.1mm lik ızgaralara bölünmüştür. Đletken kısım mükemmel iletken seçilerek benzetim yapılmıştır. 17

38 Şekil 3.11 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı tasarımı. Elektromanyetik benzetim sonuçlarına göre 10.2 GHz de elde edilen sonuçlar şu şekildedir (Şekil 3.12, Şekil 3.13): 18

39 Çizelge 3.4 : Bağlayıcı benzetimi sonuçları. S21 S41 S11 S22 S33 S44 S31 S db db db db db db db db Şekil 3.12 : Benzetim sonucunda bağlayıcının yalıtım ve yansıma değerleri. Şekil 3.13 : Benzetim sonucunda bağlayıcının iletim değerleri. 19

40 28 mm 47 mm Şekil 3.14 : Tasarımın gerçeklenmiş hali Gerçeklenen yapı (Şekil 3.14, sol taraftaki yapı ÇFFMB dir) Agilent EXA Signal Analyzer N9010A cihazına bağlanarak ölçülmüştür. 150 MHz lik bant genişliği elde edecek şekilde tasarlanan üçgen dalga üretici ile kontrol edilen GKO çıkışı bağlayıcının girişine bağlanmış, anten bağlantı noktası da analiz cihazına bağlanarak ölçüm yapılmıştır (Şekil 3.15). Ölçüm sonucunda hedeflendiği şekilde 10.2 GHz civarında GKO dan gelen 12dBm gücündeki işaretin yaklaşık olarak ikiye bölündüğü gözlemlenmiştir. Merkez frekanstan uzaklaştıkça bölme oranı bozulmuştur. Ancak tam olarak ikiye bölme olmasa da gücün büyük bir kısmının antene doğru olması radarın çalışmasını etkilemeyecektir. 20

41 Şekil 3.15 : Tasarımın ölçüm sonuçları Anten Elektromanyetik enerjiyi belli bir biçimde etkin olarak yaymak için tasarlanmış yapılardır (Cheng, 2006). Elektrik akımını elektromanyetik dalgaya veya elektromanyetik dalgayı elektrik akımına çeviren yapılardır. Đyi tasarlanmamış bir anten kullanımının sonucunda ilgili işaret uygun şekilde yayılamaz ve istenilen verim alınamaz. Bu da alıcı ve verici sistemleri etkileyerek kablosuz veri iletimini olumsuz etkiler Antenlerin temel özellikleri Antenin başlıca ışıma özellikleri ışıma deseni, yönlülük, kazanç ve bant genişliği sayılabilir. Işıma deseni uzak alan (far field) sayılacak belirli bir noktadaki ışıma gücünün açısal olarak tanımlanmış ifadesidir (Huang, Boyle, 2008). Işıma desenlerini ifade etmek için 2 veya 3 boyutlu kutupsal (polar) eksenler kullanılır. Yönlülük bir antenin en önemli parametrelerindendir. Belli bir yöndeki ışıma gücünün yoğunluğu olarak tanımlanır (Huang, Boyle, 2008). Belli bir yöne doğru 21

42 olan ışıma gücünün bütün yönlere olan ortalama ışıma gücünün oranı olarak ifade edilir. Anten tasarımlarında antenin kullanılacağı ortama uygun yönlülükte olmasına dikkat edilir. Geniş açılı bir yayın yapılmak istenirse yönlülük düşük, belli bir doğrultuda yayın yapılmak istenirse yönlülük büyük olur. Kazanç da belli bir yöndeki ışıma gücünün antenin aldığı güce oranıdır. genelde izotropik bir antenin ışıma gücüyle kıyaslanarak verilir. Birimi de dbi dir. Bant genişliği de antenin istenilen şekilde çalışabileceği bant aralığıdır. Frekansa bağlı olarak ifade edilir. Belirtilen parametrelerin tamamı antenin şekline, anten yapımında kullanılan malzemeye bağlıdır. Anten şekli antenin kullanılacağı sistemde bağlıdır. Örneğin cep telefonunda küçük bir anten kullanmak gerekirken uydu haberleşmesinde çapı metreler boyutunda olan çanak antenler kullanılır. Tasarım esnasında sistemin boyutunu belirleyen önemli etkenlerden olan anten şekli maliyeti de doğrudan etkiler Çok kullanılan anten tipleri Günümüz uygulamalarında sıklıkla kullanılan anten tipleri: Tel tip anten, açıklıklı anten, mikroşerit anten, yansıtıcı anten. Tel tip antenler Tel tip antenler yapımı en kolay antenlerdir. Dipol, monopol ve çevrim antenler bu tür antenlerdir. Şekil 3.16 : Dipol Anten 22

43 Hertz anten olarak da bilinen dipol anten ile tel tip anten yapısı kolayca açıklanabilir. Kaynaktan çıkan ve faz farklı işaret belli uzunluktaki tellere bağlanır (Şekil 3.16). Tel uzunluğu antenin parametrelerini belirler. Monopol antende tek tel kullanılır. Çevrim tipi anten de Şekil 3.17 de görülmektedir. Şekil 3.17 : Çevrim anten. Açıklıklı antenler Bu tarz antenlerde en çok kullanılan anten korna antendir (horn). Tel antenlerin verimsiz olduğu daha yüksek frekanslarda kullanılır. Noktadan noktaya haberleşme sistemlerin sıklıkla kullanılırlar. Yüksek kazançlıdırlar. Şekil 3.18 : Korna anten ( 23

44 Yansıtıcı antenler Uydu haberleşmesinde kullanılan antenler yansıtıcı antenlere örnektir. Yüksek kazançlı, yüksek performanslı ve düşük maliyetlidirler. Mikroşerit antenler Yama anten olarak da bilinen mikroşerit antenler bir taban üzerindeki metalden oluşur. Baskı devre teknolojisi ile kolayca üretilebildiği için çok düşük maliyetlidir, hafif ve küçük boyutlu olduğu için kullanımı kolaydır, her türlü yüzey ile uygun tasarlanabilen yapıdadır, anten dizisi olarak kullanılmak istediğinde üretimi çok kolaydır, birden fazla frekansta çalışacak şekilde tasarlanabilirler, radar kesit alanı düşük olduğu için uçak ve füze gibi savunma sanayi uygulamalarında kullanılır (Balanis, 2008). Sivil uygulamalara örnekler ise: GPS, kablosuz haberleşme (WLAN, WiMax...), cep telefonları v.b. Şekil 3.19 : Yama anten. Yama antenlerin istenmeyen özellikleri ise şunlardır: Bant genişlikleri düşüktür. Çeşitli yöntemler ile arttırılabilmektedir. Ancak genelde bu durumda anten boyutu büyümektedir (Balanis, 2008). Kullanılan metalin kalınlığı çok az olduğu için yüksek güç gerektiren uygulamalarda kullanılamazlar. Dizi halinde kullanıldığında aynı açıklığa sahip diğer antenlere kıyasla daha fazla kayıp söz konusudur. Bu durum genelde güç bölücü-birleştirici yapılarından kaynaklanmaktadır (Balanis, 2008). Radar tasarımında düşük maliyet, kolay üretim ve anten dizisi yapımında sağladığı kolaylıklardan dolayı yama anten kullanılmıştır. Tasarım AWR WMO ve Ansoft HFSS yazılımları ile yapılmıştır. Đlk olarak tek parçadan oluşan yama anten AWR 24

45 WMO 2008 ile tasarlanmıştır (Şekil 3.20). Tasarım 1.6mm kalınlığında Taconic TLX-8 kodlu tabana göre yapılmıştır. Şekil 3.20 : Tasarlanan yama anten. L=8.8mm, W=11.2mm alındığında ve çeyrek dalga empedans uydurucu da 10 GHz için seçildiğinde anten parametreleri istenilen şekilde elde edilmiştir. Antenin ucundan görünen empedansın gerçek kısmı 93.7Ω, sanal kısmı da -3.4Ω olmaktadır (Şekil 3.21). Tasarlanan tek anten dörtlü dizi haline getirilerek daha büyük kazanç ve yönlülük elde edilecektir. Şekil 3.21 : Anten empedansı. 25

46 Dizinin beslemesi tek noktadan yapılacak olup empedansı 50Ω olacaktır. Bu şekildeki bir tasarım için iki anten arası bağlantı 100Ω, ikili yapıları bağlayan bağlantı 70.71Ω, besleme hattı da 100Ω olmalıdır (Johnson, 1993). Şekil 3.22 : Dört elemanlı anten dizisi (Johnson, 1993). Elektromanyetik benzetim ortamında tasarlanan anten WMO yazılımının devre şeması çizilen kısmına aktarılarak Şekil 3.22 de belirtilen yapı tasarlanmıştır (Şekil 3.23). 26

47 1 PORT P=1 Z=50 Ohm 1 SUBCKT ID=S4 NET="anten" MTRACE2 ID=X3 W=1.51 mm L=10.9 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X6 W=2.8 mm L=5.14 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X8 W=1.3 mm L=4.205 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X7 W=1.3 mm L=4.205 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X5 W=2.8 mm L=5.14 mm BType=2 M=1 SUBCKT ID=S1 MTRACE2 NET="anten" ID=X1 W=1.51 mm L=10.9 mm BType=2 M=1 SUBCKT ID=S3 NET="anten" MTRACE2 ID=X4 W=1.51 mm L=10.9 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X2 W=1.51 mm L=10.9 mm BType=2 M=1 SUBCKT ID=S2 NET="anten" 1 1 Şekil 3.23 : Dört elemanlı anten dizisi tasarımı. Tasarlanan yapının 10 GHz deki empedansı 51-j2.4 tür. yansıma katsayısı ise - 31dB dir. Bant genişliği de yaklaşık 455 MHz dir. Bu değer standart mikroşerit antenlerdeki merkez frekansının %5 i kadar olan bant genişliğini (Balanis, 2008) sağlamaktadır. Şekil 3.24 : Anten dizisinin empedansı. 27

48 Şekil 3.25 : Anten dizisinin S11 (yansıma) değeri. AWR WMO ile tasarlanan bu yapı farklı bir elektromanyetik benzetim yazılımı ile incelenmiştir.ansoft HFSS yazılımı ile tasarlanan yapı Şekil 3.26 da verilmiştir. Şekil 3.26 : HFSS de tasarlanan yapı. 28

49 Benzetim sonuçları da şu şekildedir: Şekil 3.27 : S11 verisi. Şekil 3.28 : Empedans değerleri. 29

50 Şekil 3.29 : Anten kazancı. Şekil 3.30 : Anten üzerindeki elektrik alan dağılımı. AWR WMO ile yapılan tasarımda antenler arası ve beslemeye doğru olan bağlantı noktaları yazılım içerisindeki hazır modellenmiş mikroşerit yapılar kullanılmıştır. HFSS de ise antenler ve ara hatlar aynı yapı içerisinde tasarlanarak benzetim yapılmıştır. AWR WMO yazılımı ile yapılan analizde tasarım hedefi olan 10 GHz de en düşük yansıma katsayısına (S11) sahip çalışan yapı elde edilmiştir. HFSS yazılımı ile yapılan analizde antenin 10 GHz de istenilen şekilde kullanılabileceği 30

51 görülmüştür. Ancak en düşük yansıma katsayısına 9.9 GHz de eriştiği görülmüştür. Đki yazılımdan da istenilen sonuç alınınca gerçekleme yapılmıştır. Tasarım baskı devre üreticilerine gönderilerek üretimi yapılmıştır. Tasarlanan antenin üretim sonra besleme noktasına SMA tip konnektör takılmıştır. 59 mm 61 mm Şekil 3.31 : Üretilen antenin önden görünüşü. Şekil 3.32 : Üretilen antenin arkadan görünüşü. Anten Agilent PNA L 5230 model Network Analiz cihazı ile test edilmiştir. 3 adet antenin yansıma parametreleri Şekil 3.33 de görülmektedir. 31

52 Şekil 3.33 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları. Antenlerde pratik olarak yansıma katsayısı -10dB nin altında ise yansıma katsayısı yeterli seviyede olur. Antenlerin ölçüm sonuçları aşağıdaki gibidir: Anten Çizelge 3.5 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları. En düşük frekans (GHz) Merkez frekans (GHz) En yüksek frekans (GHz) Bant genişliği (MHz) Anten Anten Anten

53 Antenler merkez frekansları 10GHz olacak şekilde 0.1mm lik karelere bölünmüş şekilde benzetim yapılarak tasarlanmıştır. Tasarım boyutu bir anten için 8.2x11.2 mm olmuştur. Benzetimler esnasında 0.1 mm'lik bir boyut değişiminin antenin merkez frekansında %5 lere varan değişikliklere yol açtığı gözlemlenmiştir. Bu durum bize üretim hassasiyetinin önemini göstermektedir. Üretimler yüksek adetlerde olmadığından otomatik makinelerde yüksek hassasiyetle tasarlanmadığı için boyutlar istenilen hassasiyetle yapılamamıştır. Bu nedenle 3 adet anten aynı şekilde üretilmiş olmalarına rağmen genel olarak 10GHz civarında çalışmalarına rağmen merkez frekansları farklılık göstermiştir. Antenler incelendiğinde merkez frekans 10.2 GHz alındığı takdirde radarın tasarım hedefi olan 150MHz bant genişliğinde sorunsuz olarak kullanılabileceklerdir Üçgen dalga üretici Gerilim kontrollü osilatör üçgen dalga şeklinde işaret ile sürülmektedir. Kullandığımız GKO ya göre uygun DC seviyesinin (offset voltage), işaret frekansının ayarlanması için üçgen dalga osilatörü tasarlanmıştır. DC seviye ayarı yapabilmek ve osilatörü GKO dan ayırabilmek için bir adet tampon devresi de osilatörün çıkışına eklenmiştir. 3 adet ayarlı direnç ile işaret frekansı, DC seviyesi ve işaret genliği ayarlanmaktadır. Tasarımda 4 adet bağımsız işlemsel kuvvetlendirici içeren LM324 tümdevresi kullanılmıştır. 33

54 Şekil 3.34 : Üçgen dalga üretici ve tampon devresi. Şekil 3.35 : Üçgen dalga üretici baskı devresi (üstten görünüş). Baskı devre tek yüzlü olarak tasarlanmıştır. Kartın sağ alt kısımdaki devre elemanları GKO ya 5 volt gerilim sağlamak için devreye eklenmiştir (U2, LM7805). Böylece tek kart ile GKO nun hem beslemesi hem de kontrolü yapılabilmektedir. 34

55 Şekil 3.36 : Üçgen dalga üretici devresinin önden ve arkadan görünüşü Karıştırıcı (Mixer) En basit anlamda karıştırıcının iki adet girişi ve bir adet çıkışı vardır. Girişleri birbiriyle karıştırarak (çarparak) çıkış işaretini üretir. Çıkış işaretinin frekansı giriş işaretlerinin frekanslarının toplamı ve farkı kadar olur (3.11). ( )= ( ), ( )= ( ), (3.11) ( ). ( )= [ ( ) ( + ) ] Şekil 3.37 : Karıştırıcı yapısı. 35

56 Melez bağlayıcı GKO dan aldığı işareti ikiyi bölerek yarısını antene yarısını da karıştırıcıya gönderir. Aynı zamanda antenden aldığı işareti de karıştırıcıya gönderir. Đki işareti birbiriyle karıştırarak fark işareti elde edilir. GKO çıkışı Karıştırıcı RF girişi Bağlayıcı Anten Karıştırıcı LO girişi Şekil 3.38 : Karıştırıcı girişlerinin bağlayıcıdan yapılışı. Çalışma kapsamında karıştırıcı tasarımı yapılmamıştır. Hittite firmasının HMC412MS8G kodlu tümdevresi kullanılmıştır. Temel özellikleri şöyledir (IF=1.45 GHz, LO=13dBm, T=25º): Çizelge 3.6 : HMC412MS8G özellikleri. Frekans aralığı IF frekansı Çevirme kaybı Gürültü faktörü LO-RF yalıtımı LO-IF yalıtımı RF-IF IP3 1dB bastırma noktası 9-15 GHz GHz 8-11 db 8-11 db db db 17 db 17 dbm 9.5 dbm Kuvvetlendirici Karıştırıcı çıkışından alınan işaretin genliği çok küçük olacağı için işlenebilmesi için kuvvetlendirilmesi gerekmektedir. Bu kuvvetlendirme esnasında kazanç yüksek olduğu için işlemsel kuvvetlendiricinin iç yapısından kaynaklanan kondansatörlerden etkisinden dolayı kesim frekansı düşük olmaktadır. Bir alt geçiren süzgeç görevi görecek şekilde tasarlanarak kuvvetlendirici ile gerekli olan süzme işlemi de yapılmaktadır. Kuvvetlendirici tasarımında Analog Devices firmasının AD8676 kodlu çok düşük gürültülü, tepeden tepeye çıkış verebilen, simetrik beslemeli işlemsel kuvvetlendiricisi kullanılmıştır 2 katlı olarak tasarlanan devre ile daha yüksek kazanç elde etmenin yanı sıra daha etkili bir süzme işlemi yapılmıştır. 36

57 Karıştırıcı çıkışında radar tasarımının yapısından dolayı 0-5kHz frekanslarında bir işaret görülecektir. Bu nedenle teorik olarak kesim frekansı 5 khz olan bir alt geçiren süzgeç yeterli olacaktır. Tasarlanan kuvvetlendiricide kazanç 79.9 db, kesim frekansı da 12.5 khz olarak belirlenmiştir. Kesim frekansının 2.5 kat yüksek tutulmasının sebebi istenilen 0-5 khz aralığında olabildiğince doğrusal bir kuvvetlendirme istenmesidir. Şekil 3.39 : Kuvvetlendirici ( ,79.901) (12.502K,76.948) Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz VDB(R6:2) Frequency Şekil 3.40 : Kuvvetlendiricinin kazanç bant genişliği grafiği. 37

58

59 4. GERÇEKLENEN RADARIN ANALĐZĐ AWR WMO, Ansonft HFSS ve Orcad PSpice ile yapılan tasarımların hedeflenen şekilde yapılmasının ardından üretim yapılmıştır. Hazırlanan baskı devrelere elektronik devre elemanları montajlanmasının ardından önce devreler tek tek test edilmiş ve sonra birleştirilerek mesafe testleri yapılmıştır. 4.1 Sistemin Oluşturan Yapılar Tasarlanan ÇFFMB nın montajlanmış hali şekil 4.1 de verilmiştir. Şekil 4.1 : Montajlanmış ÇFFMB nin önden (soldaki) ve arkadan görünüşü. Şekil 4.1 de verilen devrenin önden görünüşünde sağdaki yapı kuvvetlendiricidir. Sağdaki yapı ise ÇFFMB olup iki yapı arasında karıştırıcı vardır. Arkadan görünüşteki siyah konnektör kuvvetlendirici için besleme gerilimi bağlantısıdır. Şekil 4.2 : FMSD radarı parçaları. 39

60 Sistem dört adet yapıdan oluşmaktadır. Şekil 4.2 de soldan sağa üçgen dalga işaret üretici, gerilim kontrollü osilatör, melez bağlayıcı-karıştırıcı-kuvvetlendirici ve antendir. Kuvvetlendirici çıkışı 0-5 khz olduğundan frekans analizinin yapmak için çıkış işareti bir bilgisayarın ses kartı girişine bağlanmıştır. Kuvvetlendirici çıkışı tepeden tepeye 12V olduğundan ve ses kartı girişi en yüksek 1V olduğu için basit bir direnç yapısı ile 1/11 oranında gerilim bölücü yapılarak ses kartı girişine kuvvetlendiriciden gelen işaret girişi yapıldı. Şekil 4.3 : Kuvvetlendirici çıkışından ses kartına bağlantı. SigView yazılımı ile ses kartı girişine uygulanan işaretin Hızlı Fourier Dönüşümü (Fast Fourier Transform) yapılarak analizi yapılmıştır. Alınan sonuçlar MATLAB yazılımı ile işlenerek sonuçlar değerlendirilmiştir. 40

61 4.2 Mesafe Ölçümü Boşlukta yayılan işaretin yol kaybı frekans MHz, mesafe de km olarak alındığında: ı ( )= ( )+ ( )+. (4.1) d=20 m (10 metredeki hedef giden işaret), f=10200 MHz alındığında db zayıflama olacaktır. Buna işaretin hedeften yansıması esnasında ve devre içindeki kayıplar da göz önüne alındığında ciddi bir zayıflama söz konusu olmaktadır. Belli bir uzaklıktan sonra çıkıştan bir önceki katta 80 db lik kuvvetlendirmeyle mevcut ölçüm cihazı olan bilgisayar ses kartından bile algılanamaz hale gelmektedir. Ancak birkaç yüz kat daha kuvvetlendirmeden sonra ya da çok daha hassas ADC ler ile algılama yapılabilir. Sistemin besleme gerilimi 12 V dir. GKO ise 5V ile çalışmaktadır. Öncelikle radar anteni gökyüzüne tutularak gürültü analizi yapıldı (Şekil 4.4). Bu analiz radara herhangi bir işaret girişi olmadığında karıştırıcı çıkışından görünen işaretleri belirlemek için yapılmıştır. Şekil 4.4 : Gürültü analizi. 41

62 Gökyüzünden alınan ölçümden 20 metre uzaklıktaki bir otomobil, 4 metre uzaklıktaki ve 7 metre uzaklıktaki iki duvardan alınan ölçüm verisi alınmıştır. Bu verilerden boşta çalışmada oluşan gürültüleri süzmek için gökyüzünden alınan ölçümden çıkarıldığında (Şekil 4.5) analizi yapılacak veri elde edilir. 4 metre uzaklıktaki duvardan alınan asıl işaretin frekansı 387Hz dir (Şekil 4.5 mavi işaret). Teorik değer ise (3.6) ifadesine göre 400 Hz olmalıdır. 7 metredeki duvardan alınan işaretin frekansı 646 Hz dir (Şekil 4.5 kırmızı işaret). Teorik hesap ise 700 Hz dir. Şekil 4.5 teki yeşil işaret ise 20 metre uzaklıktaki otomobilden alınan işarettir. 3 uzaklık ölçümünde de özellikle 1kHz den sonraki işaretlerin frekansları neredeyse aynıdır. Sadece ölçüm yaptığımız uzaklık olan 4 ve 7 metrede beklediğimiz frekanslarda değişimler olmuştur. Hedeften yansıyıp gelen işaretin genliği karıştırıcı çıkışındaki işaretin genliğini belirler (3.3). Bu nedenle belli bir uzaklıktan sonra değişim sezilemeyecek kadar küçük olduğu için mevcut ölçüm cihazları ile sezilememiştir. Ancak diğer ölçümlerdeki değişimleri kıyaslayabilmek için uzak mesafe ölçümü de yapılmıştır. (559 Hz lik işaret yaklaşık 12 metreden sonraki her ölçümde mevcuttur, bu nedenle gürültü işaretidir.) 42

63 Şekil 3.45 : Ölçüm sonuçları. 43

64 44

65 5. SONUÇLAR ve GELECEKTEKĐ ÇALIŞMALAR Hedeflenen şekilde başarıyla çalıştırılan frekans modülasyonlu kısa mesafe radarı belirlenen çözünürlük dikkate alındığında istenilen sonucu vermiştir. Tasarım esnek bir yapıda tasarlandığı için üçgen dalga işaret üretici uygun şekilde ayarlanarak ya da 50Ω luk çıkış direncine uygun empedansta farklı antenler ile sadece kısa mesafe, hassas ölçüm gibi özellikler kolayca kazandırılabilir. Proje sonunda mikrodalga devrelerin tasarımında karşılaşılan zorluklar görülmüştür. Özellikle üretimden kaynaklanan hataların en aza indirilmesine yönelik tasarımların önemi anlaşılmıştır. Gelecek çalışmalar da şu şekilde özetlenebilir: Daha büyük anten dizileri oluşturularak radarın etkisi arttırılabilir Antenler elektronik olarak yönlendirilebilir. Karıştırıcı ve GKO tasarımları yapılarak sistem bir bütün halinde üretilebilir. Mikrodenetleyici kontrolü ile kullanım esnekliği arttırılabilir. Gelecek çalışmalarında belirtilen özelliklerin bu sisteme eklenmesiyle daha hassas, belli bir amaca özel daha yetenekli, daha güçlü radarların tasarımı mümkündür. Çizelge 4.1 : Ölçüm sonuçları. Mesafe (m) Ölçülen (m)- Hata (%)

66 46

67 KAYNAKLAR Balanis, C. A., 2008: Modern Antenna Handbook. Wiley and Sons, Danvers, MA. Cheng, D. K., Çev: Armağan, N., Can, N., Çıngı, E., Đşçi, C., Önengül, G., Sözüer, S., :2006: Dalga ve Alan Elektromanyetizması. Akademi, Ankara. Huang, Y. ve Boyle, K., 2008:Antennas from Theory to Practice. Wiley and Sons, Singapore. Johnson, R. C., 1993: Antenna Engineering Handbook. McGraw-Hill, USA. Komarov, I. V., Smolskiy, S. M., 2003: Fundamentals Of Short-Range FM Radar. Artech House, London. Kulke, R., Günner, C., Holzwarth, S., Kassner, J., Lauer, A., Rittweger, M., Uhlig, P., Weigand, P., 2005: 24 GHz Radar integrates Patch Antenna and Frontend Module in single Multilayer LTCC Substrate, European Microelectronics and Packaging Conference, Brugge, Belgium, June Pozar, D. M., 2005: Microwave Engineering. Wiley and Sons, USA. Skolnik, M. I., 1962: Introduction to Radar Systems. McGraw-Hill, USA. Uhlig, P., R., Günner, C., Holzwarth, S., Kassner, Kulke, J., Lauer, A., Rittweger, M., 2004: LTCC Short Range Radar Sensor for Automotive Applications at 24 GHz, 37 th IMAPS International Symposium on Microelectronic, Long Beach, November. 47

68 48

69 ÖZGEÇMĐŞ Ad Soyad: Osman Ceylan Doğum Yeri ve Tarihi: Çivril / Denizli Adres: ĐTÜ Ayazağa Kampüsü Elektrik Elektronik Fakültesi oda 1206 Maslak/Đstanbul Lisans Üniversite: Đstanbul Teknik Üniversitesi Elektronik Mühendisliği 2006 Yayın Listesi: Koyuncu, E, Yeniçeri, R., Ceylan, O., 2005: Bilgisayarla Görü Tabanlı Cisim Yörünge Doğrultusu Đzleyen Robot Kol Tasarımı, Otomatik Kontrol Türk Milli Komitesi Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, Đstanbul. Koyuncu, E, Yeniçeri, R., Ceylan, O., 2006: Kamera Denetimli Yapay Sinir Ağları ile Hareketli Cisim Yörüngesi Đzleyen Zeki Taret Savunma Sistemi Tasarımı, Kara Harp Okulu Savunma Bilimleri Enstitüsü Savunma Bilimleri Araştırmaları Teşvik Ödülleri, Ankara. 49