ANKARA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ LİSANS TEZİ ÜÇ BANTLI MODERN GPS ANTENİ ANALİZİ VE TASARIMI SERTAÇ ERDEMİR ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ DANIŞMAN: Doç. Dr. Asım Egemen YILMAZ ANKARA 2013 Her hakkı saklıdır
ÖZET Lisans Tezi Üç Bantlı Modern GPS Anteni Analizi ve Tasarımı Sertaç ERDEMİR Ankara Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Danışman: Doç. Dr. Asım Egemen YILMAZ Bu çalışmada, Amerikan Savunma Bakanlığının (US DoD) GPS (Global Positioning System Küresel Konumlandırma Sistemi) için standartlaştırdığı sivil çalışma frekansları olan, 1176.45 MHz (L5), 1227.6 MHz (L2) ve 1575.42 MHz de (L1) çalışan üç bantlı ve üç katmanlı GPS anteninin tasarımı yapılmıştır. GPS ölçümlerinde kullanılan en önemli donanım olan anten tasarımının optimizasyonu için, CST Microwave Studio programında anten yapıları modellenip, geometrik ve fiziksel özellikler parametrize edilerek anten yapılarının elektromanyetik simülasyonları incelenmiştir. Bu yapılar birbirleriyle karşılaştırılarak GPS anteni olarak kullanılması uygun görülen optimal yapı belirlenmiştir. L1, L2 ve L5 frekanslarının her ucunu de kapsamak üzere tasarlanan GPS anteninin; zorlu hava koşulları ve çalışma ortamından en az etkilenecek şekilde, yüksek doğruluk gerektiren askeri ve ticari GPS uygulamalarında kullanılabilmesi amaçlanmıştır. L1, L2 ve L5 frekansları arasındaki ve dışındaki sinyal girişim etkilerinden kaçınılmasını sağlamak için, antenin ; bu frekansları ayrı ayrı kapsayan, üç dar bant aralığına sahip olması gerektiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, tasarlanan anten yapısı, ilgili akademik literatürdeki güncel çalışmalardaki bulgularla karşılaştırılmıştır. 2013, 55 Sayfa Anahtar kelimeler: GPS, Mikroşerit, Yama Anten, Üç bantlı antenler, Dairesel Kutuplama, CST MWS i
ABSTRACT Undergradute Thesis Analysis and Design of a Triple-Band Modern GPS Antenna Sertaç ERDEMİR Ankara University Electrical and Electronics Engineering Department Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Asım Egemen YILMAZ In this study, triple-band, triple-layered GPS (Global Positioning System) antenna, standardized by US. Department of Defence for civilian applications, and operating at civil GPS frequencies of 1176.45 MHz (L5), 1227.6 MHz (L2) and 1575.42 MHz (L1), has been designed. For optimizing the design of antenna, i.e. the most essential part of GPS calculations, antenna structures have been modelled, and electromagnetic simulations have been analyzed by parameterizing the geometric and physical properties in CST Microwave Studio software. These structures have been compared to determine the optimal structure for GPS antenna. It has been aimed that the GPS antenna, designed to cover the L1, L2 and L5 frequencies, can be utilized in military and commercial applications that require high precision, with minimal inference in extreme weather conditions and tough working environments. In order to ensure prevention of between-signal and out-of-scope signal interferences, it has been concluded that the antenna must have three narrow bands that will include all three frequencies separately. Furthermore, the designed antenna structure and the empirical findings of the recent and related academic literature have been compared. 2013, 55 pages Keywords: GPS, Microstrip, Patch Antenna, Triple-band, Circular Polarization, CST MWS ii
TEŞEKKÜR Bu araştırma için beni yönlendiren, çalışmalarım süresince ilgisini ve yardımlarını benden esirgemeyen değerli hocam sayın Doç. Dr. Asım Egemen YILMAZ a ve her zaman yanımda olan aileme teşekkürü bir borç bilirim. iii
İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii İÇİNDEKİLER... iv ŞEKİLLER DİZİNİ... vi TABLOLAR DİZİNİ... viii 1. GİRİŞ... 1 2. KURAMSAL TEMELLER... 2 2.1. Antenler Hakkında Genel Bilgiler... 2 2.2. Devre Elemanı Olarak Antenler ve Empedans Uyumu... 2 2.2.1. Alıcı Anten Eşdeğer Devresi... 3 2.2.2. Verici Anten Eşdeğer Devresi... 4 2.3. Anten Parametreleri ve Tanımlamaları... 4 2.3.1. Işıma Diyagramı... 4 2.3.2. Voltaj Duran Dalga Oranı (VSWR)... 5 2.3.3. Geri Dönüş Kaybı (RL)... 5 2.3.4. Bant Genişliği... 6 2.3.5. Demet Genişliği... 6 2.3.6. Yönlendiricilik... 6 2.3.7. Güç Kazancı... 7 2.3.8. Verimlilik... 7 2.3.9. Polarizasyon... 7 2.4. GPS Hakkında Genel Bilgiler... 8 2.5. GPS Sinyalinin Özellikleri... 10 2.6. GPS Antenlerinin Genel Özellikleri... 12 2.6.1. Polarizasyon... 12 2.6.2. Eksenel Oran... 13 2.6.3. Rezonans Frekansı ve Bant Genişliği... 13 2.7. GPS Anteni için Hedeflenen Gereksinimler... 15 3. MİKROŞERİT ANTEN TEORİSİ... 16 3.1. Mikroşerit Antenlerin Tarihçesi... 16 iv
3.2. Mikroşerit Antenlerin Temel Karakteristikleri... 16 3.3. Mikroşerit Antenlerin Avantajları ve Dezavantajları... 18 3.4. Mikroşerit Antenleri Besleme Teknikleri... 19 3.5. Mikroşerit Antenlerin Analizi... 20 4. DİKDÖRTGEN YAMALI MİKROŞERİT ANTENLERİN ANALİZİ... 22 4.1. Dikdörtgen Yamalı Mikroşerit Antenin İletim Hattı Metodu ile Analizi... 22 4.1.1. Saçaklanma Etkileri... 22 4.1.2. Etkin Uzunluk, Genişlik ve Rezonans Frekansı... 24 4.1.3. Tasarım... 25 4.2. Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten... 25 4.2.1. Çift Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten... 26 4.2.2. Tek Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten... 27 5. GPS ANTENİ TASARIMLARI... 31 5.1. Tek Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımları... 32 5.1.1. L1 Frekansında Çalışan E-Şekilli Mikroşerit Anten Tasarımı... 32 5.1.2. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Mikrodalga Alt Katmanlı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı... 35 5.1.3. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Seramik Alt Katmanlı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı... 38 5.2. Çift Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı... 40 5.2.1. L1 ve L2 Frekansında Çalışan Çift Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni... 40 5.3. Üç Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı... 45 5.3.1. L1, L2 ve L5 Frekansında Çalışan Üç Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni... 45 6. SONUÇLAR... 52 KAYNAKÇA... 54 v
ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.2-1 Alıcı anten eşdeğer devresi... 3 Şekil 2.2-2 Verici anten eşdeğer devresi... 4 Şekil 2.4-1 GPS uzay bölümü... 8 Şekil 2.6-1 Sağ el dairesel polarizasyonlu bir düzlem dalga... 12 Şekil 2.6-2 Küresel Konumlandırma Sistemleri frekans bantları... 13 Şekil 3.2-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan temel yama şekilleri... 17 Şekil 3.4-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan besleme teknikleri mikroşerit hat, (b) koaksiyel hat, (c) açıklık kuplajlı, (d) yakınlık kuplajlı,... 20 Şekil 4.1-1 Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenin 3 boyutlu görünümü... 22 Şekil 4.1-2 Saçaklanma etkileri (a) mikroşerit hat, (b) elektrik alan çizgileri, (c) etkin dielektrik sabiti geometrisi... 23 Şekil 4.2-1 Güç bölücü yardımıyla çift beslenmiş bir mikroşerit anten... 26 Şekil 4.2-2 Çift koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları: (a) dairesel yama, (b) kare yama... 27 Şekil 4.2-3 Tek koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları: (a) dairesel yama, (b) kare yama... 27 Şekil 4.2-4 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu kare yamalı mikroşerit anten yapıları: (a) köşegen beslemeli kareye yakın yama; (b) iki eklentili, (c) iki çentikli, (d) iki köşesi üçgen şeklinde kesilmiş, (e) iki köşesi kare şeklinde kesilmiş, (e) köşegen açıklıklı kare yamalar28 Şekil 4.2-5 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu daire yamalı mikroşerit anten yapıları: (a) eliptik yamalı; (b) iki çentikli, (c) iki eklentili, (d) dikdörtgen açıklıklı daire yamalar... 29 Şekil 4.2-6 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu üçgen yamalı mikroşerit anten yapıları: (a) ikizkenar, (b) kesik uçlu, (c) dikdörtgen açıklıklı, (d) çentikli üçgen yamalar... 30 Şekil 5.1-1 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin yapısı... 33 Şekil 5.1-2 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri dönüş kaybı (S 11 ) grafiği... 34 Şekil 5.1-3 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç grafikleri... 35 vi
Şekil 5.1-4 Köşegen uçları kesilmiş kare yamalı dairesel polarizasyonlu GPS anteni... 36 Şekil 5.1-5 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri dönüş kaybı (S 11 ) grafiği... 37 Şekil 5.1-6 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç grafikleri... 38 Şekil 5.2-1 Çift yamalı, köşegen uçları kesilmiş, kare yamalı, dairesel polarizasyonlu GPS anteni... 41 Şekil 5.2-2 Alt yama boyutunun, rezonans frekanslarına olan etkisi... 42 Şekil 5.2-3 Yapılan tasarım için CST MWS da oluşturulan model... 42 Şekil 5.2-4 L2 çalışma frekansı bant genişliği... 43 Şekil 5.2-5 L1 çalışma frekansı bant genişliği... 44 Şekil 5.2-6 L2 ve L1 çalışma frekansları için sağ el dairesel polarizasyon grafiği... 44 Şekil 5.2-7 L2 çalışma frekansı için sol el dairesel polarizasyon grafiği... 45 Şekil 5.3-1 Üç bantlı GPS anteninin (a) üstten ve yandan görünümü (b) CST MWS de oluşturulan yapısı... 46 Şekil 5.3-2 Alt yama kenar uzunluğunun (Lp), L5 çalışma frekansı üzerindeki etkisi... 47 Şekil 5.3-3 Orta yama kenar uzunluğunun (Mp), L2 çalışma frekansı üzerindeki etkisi... 47 Şekil 5.3-4 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu (a) nn rezonans frekansları üzerindeki etkisi... 48 Şekil 5.3-5 (probe_position,0) noktasında bulunan besleme hattının +x ekseni üzerindeki konumunun, rezonans frekansları üzerindeki etkisi... 48 Şekil 5.3-6 Besleme noktasının bulunduğu eksene göre dairesel polarizasyona etkisi... 49 Şekil 5.3-7 L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışan GPS anteninin geri dönüş kaybı grafiği.. 49 Şekil 5.3-8 L1, L2 ve L5 frekansları için 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon grafikleri 50 vii
TABLOLAR DİZİNİ Tablo 2.6-1 Küresel Konum Belirleme sistemleri frekans bantları... 14 Tablo 3.4-1 Mikroşerit Antenlerde Kullanılan Besleme Teknikleri Karşılaştırılması... 19 Tablo 5.2-1 Tasarım parametreleri... 43 Tablo 5.3-1 Tasarım parametreleri... 46 viii
1. GİRİŞ Yüksek performans gerektiren araçlar, uçaklar, uzay araçları, radar sistemleri, uydu ve füze uygulamaları gibi pek çok alanda; düşük maliyet, performans, kolay kurulum ve modern baskı devre teknolojisiyle üretim gibi avantajlarından dolayı mikroşerit antenler, mikrodalga antenleri içerisinde popüler bir anten çeşidi haline gelmiştir [2]. Mikroşerit antenler, bu özelliklerinden dolayı uydularla konum belirleme sistemlerinde de kullanılmaya başlanmıştır. Uydularla konum belirleme (Küresel Konum Belirleme) sistemleri, bu teknolojiye sahip ülkelere, askeri, ekonomik ve politik anlamda önemli avantajlar kazandırmaktadır. ABD ve Rusya yıllardır bu alanda kendi sistemleriyle faaliyet göstermektedir. Ayrıca Çin, Japonya, Hindistan ve Avrupa Birliği de kendi uydu sistemlerini geliştirme yolunda önemli mesafe kat etmişlerdir. Uydu sistemlerine farklı ülkelerin katılımıyla, bu alandaki teknolojik gelişmeler de hızlı bir şekilde ilerlemektedir. Bu gelişim süreci, uydu alıcı ve anten sistemlerindeki gelişmeleri de tetiklemektedir. Küresel Konum Belirleme sistemlerinde en önemli donanımlar, alıcı ve anten sistemleridir. Bu çalışmada, Küresel Konum Belirleme sistemleri arasındaki en gelişmiş sistem olan GPS için L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarında çalışan üç bantlı, yüksek kazançlı ve (7cm x 7cm x 0.53cm) boyutlarında, monte edildiği yüzeylerin aerodinamiğini bozmayan bir mikroşerit yama anten tasarımı ve optimizasyonu yapılmıştır. Bu amaçla literatürdeki diğer çalışmalar taranarak, birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Tasarım için kullanılan yazılım CST Microwave Studio programıdır. Elde edilen tasarım üretime hazır hale getirilmiştir. 1
2. KURAMSAL TEMELLER 2.1. Antenler Hakkında Genel Bilgiler Elektromanyetik dalgaları bir sistemden alıp çevreye veren ya da elektromanyetik dalgalardan aldığı işaretle bir sistemi besleyen cihazlara, Latince de böcek duyargası anlamına gelen anten adı verilir. Antenler, elektromanyetik dalgalar ve elektriksel işaretler arasındaki dönüşümden sorumlu birer çift yönlü (resiprokal) dönüştürücüdür [1]. İletim kanalı olarak boş uzay veya atmosferi kullanan haberleşme sistemlerinin, bu kanala açılan ara yüzüne anten denir. Bir anten kullanım şekline göre, alıcı anten (receiver antenna), verici anten (transmitter antenna) veya verici-alıcı anten (transceiver antenna) karakteristiklerinden birine uyabilir. Yapı bakımından, alıcı ve verici antenler birbirlerine benzerler: Antenler, resiprokal olma özelliğinden dolayı hem alıcı hem verici olarak da kullanılabilmektedir. Antenin, endüstride uygulanması G. Marconi nin telsiz telgrafı icat etmesiyle (1895) ve İngiliz posta idaresine bu icadını kabul ettirmesiyle başlar (1897). Bu olay ile kablosuz haberleşme teknolojisi gelişmeye başlamıştır. Bu teknolojinin gelişimi ile anten teknolojisi de inanılmaz şekilde gelişmiştir. Günümüzde farklı uygulama alanlarında, uygulamanın ve kullanıcının gereksinimleri doğrultusunda çok çeşitli anten yapıları kullanılmaktadır. Mikroşerit antenler, bu anten tiplerinden birisidir. 2.2. Devre Elemanı Olarak Antenler ve Empedans Uyumu Bir anten, bağlı olduğu devrenin ucunda iki kapılı bir devre elemanı olarak görev alır. Bu noktada, bağlanacağı uçlar arasında bir empedans değeri gösterir. Bu değere, anten empedansı denir. Anten empedansı, antenin türü, boyu ve devre toprak alanına yerleşim biçimine göre farklılık gösterebilir. 2
Genel olarak bir devrede antenleri, matematiksel olarak şu formda modelleyebiliriz: (2.1) (2.2) Z A R A R r R L X A : Anten empedansı : Anten rezistansı (Reel) : Işıma rezistansı : Ohmic kayıplar : Anten reaktansı (Sanal) 2.2.1. Alıcı Anten Eşdeğer Devresi Şekil 2.2-1 Alıcı anten eşdeğer devresi [17] Aldığı elektromanyetik dalgayı bağlandığı devreye V A gerilimi şeklinde aktaran alıcı anten, karakteristik empedansı Z 0 olan bir hat üzerinden bağlandığı devreyi temsil eden Z Y yük empedansı üzerinde enerji harcamaktadır. (2.3) Yükün gördüğü anten empedansı ise Z A dır. Yük empedansı, iletim hattının karakteristik empedansı ve anten empedansı arasında uyum olması durumunda anten, ortamdan aldığı elektromanyetik gücü alıcı devreye kayıpsız bir şekilde aktarabilir. Empedans uyumu yük ve hat empedansı ile anten empedansının sanal kısımlarının birbirlerini sıfırlayacak şekilde seçilmesiyle mümkün olur. 3
2.2.2. Verici Anten Eşdeğer Devresi Şekil 2.2-2 Verici anten eşdeğer devresi [17] Işıma yaparken anten uçlarında oluşan gerilimin, anten üzerinden geçen akıma oranı anten empedansı Z A yı verir. Burada empedansı Z K olan kaynak, karakteristik empedansı Z 0 olan bir hat üzerinden anteni beslemektedir. Yük empedansı, iletim hattının karakteristik empedansı ve anten empedansı arasında uyum olması durumunda antene, maksimum çıkış gücü aktarılabilir. Aksi takdirde gönderilen sinyalin bir kısmı antenden yayılmadan geri döner ve kayıplar oluşur. Gücün bir kısmı yayılım yapıp bir kısmı geri yansıdığı için haberleşme mesafesi büyük ölçüde düşer. Empedans uyumu yük ve hat empedansı ile anten empedansının sanal kısımlarının birbirlerini sıfırlayacak şekilde seçilmesiyle mümkün olur. 2.3. Anten Parametreleri ve Tanımlamaları Bu kısımda; ışıma diyagramı, voltaj duran dalga oranı, geri dönüş kaybı, yansıma katsayısı, bant genişliği, demet genişliği, anten yönlendiriciliği, anten kazancı, anten verimliliği, polarizasyon gibi önemli anten parametreleri verilerek bu parametrelerin anten performansına olan etkisi açıklanacaktır. 2.3.1. Işıma Diyagramı Antenlerin ışıma diyagramları, kutupsal koordinatlara göre belirlenen eğri veya yüzeylerdir. Bu diyagramlar; antenin, hangi yöne ne kadar ışıma yaydığını ya da hangi yönden ne kadar 4
ışıma aldığını gösterir. Işıma diyagramı, üç boyutlu olarak gösterilebilmektedir. Bu gösterim dışında polar koordinatlardaki gösterimde yaygın biçimde kullanılmaktadır. Işıma diyagramı, antenin yönlendiriciliğine bağlı olarak ana ışıma lobu, yan loblar, arka lob gibi parçalardan oluşmaktadır. 2.3.2. Voltaj Duran Dalga Oranı (VSWR) Voltaj duran dalga oranı, empedans uyumsuzluğu sonucu antenden ne kadar enerjinin yansıyacağını gösterir. Empedans uyumlandırması yapılmamış bir antende, antene gelen ve yansıyan dalgaların üst üste binmelerinden dolayı duran dalgalar oluşur. Bu durumda, oluşan duran dalgada gerilimin maksimum değeri Vmax, minimum değeri Vmin ve anten yansıma katsayısı Γ olmak üzere; ( ) (2.4) Bu oran 1 ile arasında değişmektedir. Fiziksel olarak mümkün olmamakla birlikte, empedans uyumu mükemmel olduğunda bu oran 1 e eşit olur. Empedansın en uyumsuz olduğu durumlar içinse bu oran sonsuza gider. Eş. 2.4 te parantez içerisindeki ifade ise yansıma katsayısını (Γ) verir. Bu katsayı da, duran dalga oranı 1 ile arasında değiştiğinden dolayı, 0 ile 1 arasında değişmektedir. Yansıma katsayısının 0 a yakın olması istenilen durumdur. 2.3.3. Geri Dönüş Kaybı (RL) Uydulardan alınan GPS sinyalleri genellikle zayıf olduğundan, geri dönüş kaybı (RL, return loss) oldukça önemlidir. Logaritmik ölçekli gösterildiğinden db birimiyle kullanılır ve voltaj duran dalga oranıyla ilintilidir. Voltaj duran dalga oranının 2 den küçük olması, geri dönüş kaybının da -9.5 db den küçük olması anlamına gelir ve bu antenin o frekans bölgesinde çalışabildiğini gösterir. Duran dalga oranı ve geri dönüş kaybı arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir; [16] ( ) (2.5) 5
2.3.4. Bant Genişliği Duran dalga oranının -10 db den düşük olduğu frekans aralığı, antenin etkili şekilde çalışabildiği bölge olarak kabul edilir. Ticari anten tasarımlarında anten bant genişliği, duran dalga oranının 1.5:1 sınırını aşmadığı aralık olarak da alınmaktadır. Bant genişliği, etkili çalışılan frekans aralığının merkez frekansa oranı olarak yüzdesel biçimde ifade edilir. (2.6) f max f min f 0 : Maksimum frekans : Minimum frekans, : Toplam ışıyan güç 2.3.5. Demet Genişliği Demet genişliği, ışıma diyagramı ile ilişkili olup, maksimum ışıma doğrultusundaki gücün yarıya (3 db) düştüğü (yarı-güç demet genişliği) veya 0 a düştüğü (ilk-sıfır demet genişliği) açısal genişlik olarak tanımlanır. Antenin demet genişliğinin yüksek olması, daha fazla yöne sinyal gönderebileceğini veya daha fazla yönden sinyal alabileceğini gösterir. 2.3.6. Yönlendiricilik Yönlendiricilik (directivity), antenin belirli bir yöndeki ışıma yoğunluğunun, diğer tüm yönlere yapılan ışıma yoğunluğunun ortalamasına oranıdır. Ortalama ışıma yoğunluğu, anten tarafından yapılan toplam ışıma gücünün 4π ile bölünmesiyle bulunur. Yön belli değilse hesaplamada, maksimum ışıma yoğunluğu olan ana ışıma lobu kullanılır. Anten yönlendiriciliği kazancı şu şekilde hesaplanır: (2.7) (2.8) K(θ,ϕ) : Işıma yoğunluğu, K ort P r : Ortalama ışıma yoğunluğu, : Toplam ışıyan güç (θ,ϕ): Işıma güç yoğunluğu 6
2.3.7. Güç Kazancı Güç kazancı (gain), anten performansını tanımlamaya yardımcı en önemli parametrelerden birisidir. Anten kazancı, antenin belirli bir yöndeki ışıma yoğunluğunun, diğer tüm yönlerden alınan ışıma yoğunluğunun ortalamasına oranıdır. Kazanç, yönlendiricilik ile bağlantılıdır. Ancak anten kazancı, uzaydaki elektrik alanlardan anten uçlarına ne kadar güç aktarıldığı bilgisi kullanılarak hesaplanır. (2.9) Pd P r : Alınan toplam ışıma gücü : Toplam ışıyan güç 2.3.8. Verimlilik Antenin kaynaktan aldığı gücün bir bölümü ısıl kayıplar olarak antende harcanır. Kaynaktan çekilen güç, ışıma gücü ve ısıl kayıpların toplamına eşittir. Ohmic kayıplar, yansıma kayıpları ve anten yapısından kaynaklı kayıplar, ısıl kayıpların toplamını oluşturur. Anten verimi, ışıma gücünün kaynaktan çekilen güce oranı olarak tanımlanmaktadır. Isıl kayıpların fazla olması anten verimini düşürür. Anten verimliliği 0 ile 1 arasında tanımlanır. 1 e eşit olması, fiziksel olarak imkansız olmakla birlikte, arzu edilen durumdur. (2.10) e 0 : Anten verimi er : Yansıma verimi (1- Γ 2 ) e c e d : İletim verimi : Dielektrik materyalin verimi 2.3.9. Polarizasyon Polarizasyon, bir elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörünün doğrultusudur. Elektromanyetik dalgalar yatay, düşey, dairesel ve eliptik polarizasyonlu olabilirler. Başarılı bir veri iletimi için alıcı ve verici antenlerin polarizasyonunun aynı olması gerekmektedir. 7
2.4. GPS Hakkında Genel Bilgiler GPS (Global Positioning System), sürekli olarak kodlanmış bilgi yollayan, tüm hava koşullarında konum ve zaman bilgisi sağlayan uzay tabanlı bir uydu navigasyon sistemidir. GPS; uzay bölümü, kontrol bölümü ve alıcı bölümünden oluşmaktadır. Uzay bölümü, yörüngede sürekli olarak dönen 24 uydudan (18 aktif 6 yedek) oluşur ve sistemin merkezidir. Uydular, "yüksek yörünge" adı verilen ve dünya yüzeyinin 20.200 km üzerindeki yörüngede bulunurlar. Bu kadar fazla yükseklikte bulunan uydular oldukça geniş bir görüş alanına sahiptirler ve dünya üzerindeki bir GPS alıcısının her zaman iki boyutlu belirleme için en az 3, üç boyutlu belirleme için en az 4 adet uyduyu görebileceği şekilde yerleştirilmişlerdir. GPS projesi ilk uydunun 1978'de ateşlenmesiyle başlamıştır. 24 uyduluk ağ 1994'de tamamlanmıştır. Projenin devamlılığı ve geliştirilmesi ile ilgili bütçe ABD Savunma Bakanlığı'na (US Department of Defence) aittir. Şekil 2.4-1 GPS uzay bölümü [25] Uyduların her biri, iki değişik frekansta ve düşük güçlü radyo sinyalleri yayınlamaktadır. (L1, L2) Sivil GPS alıcıları L1 (UHF bandında 1575.42 Mhz) ve L2 (1227.60 Mhz) frekanslarını dinlemektedirler. Ayrıca, L5 (1176.45 MHz) sivil amaçlı sinyali ise üçüncü 8
sivil amaçlı GPS sinyali olarak Block IIR-20(M) uydusu üzerinden 2009 yılından itibaren yayınlanmaya başlamıştır. Birden fazla sinyalin kullanılması hem iyonosferden dolayı gerçekleşen kırılmayı engellemek hem de sinyal bozma durumlarına karşı güvenlik olarak uygulanmaktadır. ABD Savunma bölümü alıcıları Military (M-code) (5.115 MHz.) frekansını dinlemektedirler. Bu sinyaller "Görüş Hattında" (Line of Sight) ilerler. Yani bulutlardan, camdan ve plastikten geçebilir ancak duvar ve dağ gibi katı cisimlerden geçemez. GPS sinyalleri binalardan yansıdığı için şehir içlerinde araziye oranla hassasiyeti azalır. Yeraltına kazılan tünellerde ise sinyal elde edilemez. Hatalı sinyallerin elde edilebileceği ya da hiç sinyal elde edilemeyen bölgelerde kullanılmak üzere geliştirilen Diferansiyel GPS'ler tarafından bu hatalar en aza indirilerek daha hassas bir yer ölçümü yapılabilir. Daha rahat anlaşılması için, bildiğimiz radyo istasyonu sinyalleri ile L1 frekansını kıyaslamak istersek; FM radyo istasyonları 88 ile 108 Mhz arasında yayın yaparlar, L1 ise 1575,42 Mhz'i kullanır. Ayrıca GPS'in uydu sinyalleri çok düşük güçtedirler. FM radyo sinyalleri 100 kw gücünde iken L1 sinyali 20-50 W arasındadır. Bu yüzden GPS uydularından temiz sinyal alabilmek için açık bir görüş alanı gereklidir. GPS uyduları tarafından gönderilen elektromanyetik dalgalar atmosferden geçerken bükülmeye uğrarlar. L1 ve L2 bantları farklı dalga boylarına sahip olduğundan farklı oranda bükülmeye uğradığından aradaki farklılık hesaplanarak atmosferik bozulma engellenerek çok daha hassas bir yer bilgisi hesaplanabilir. Sadece L1 bandı kullanılarak (diferansiyel GPS ile dahi) 98 m. hassasiyet elde edilebilirken, L1 ve L2 bantlarının ortak kullanımı ile 1 m. nin altında hassasiyete ulaşmak mümkün olmaktadır. GPS in modernize edilmesi kapsamında, 2009 yılında GPS için yeni bir frekans tahsisi yapılmıştır. L5 adı verilen bu sinyal Block IIF uyduları üzerinden asıl olarak hava araçlarının güvenli navigasyonu (Safety of Life) amacıyla 2009 yılında yayımlanmaya başlanmıştır. 9
Günümüzde aktif olan GPS uydularından, şu frekanslar yayınlanmaktadır: Block II/IIA : L1 C/A, L2 P/Y Block IIR-M : L1 C/A, L2 P/Y, L2C Block IIF : L1 C/A, L2 P/Y, L2C, L5 Block III : L1 C/A, L1 P/Y, L1M, L1C, L2C, L2 P/Y, L2M, L5 Burada görülen L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekansları haricinde, atmosfer ve yakın uzaydaki nükleer patlamaları tespit edebilmek amacıyla USNDS (United States Nuclear Detonation Detection System, Amerikan Nükleer Patlama Tespit Sistemi) tarafından L3 (1381.05 MHz) frekansı kullanılmaktadır. Ayrıca ek olarak iyonosferik düzeltme sağlamak amacıyla L4 (1379.913 MHz) frekansının kullanımı üzerinde de çalışmalar yapılmaktadır. GPS uyduları, yörüngeye yerleştirilme sıra numarasına, uydu PRN (Pseudo Random Noise) kod numarasına, yörünge konumundaki numarasına, NASA katalog numarasına göre tanımlanabilir. Uygulamalarda, karışıklık yaratmaması için genellikle PRN kod numaraları kullanılmaktadır. Bu numaralar, alıcıların uyduları izlerken birbirlerinden ayırt etmesini sağlar. Çok kullanılan bir diğer yöntemde uyduları, yörüngeye oturtuldukları sıraya göre isimlendirmektir [9]. 2.5. GPS Sinyalinin Özellikleri GPS ölçümlerinde, elektromanyetik dalgaların kullanımıyla uydulardan kullanıcılara veri akışı yapılmaktadır. Her GPS uydusu sivil kullanıma açık konum belirleme amaçlı olarak 3 temel frekansa sahiptir. Bu frekanslar, 10.23 MHz temel frekansın 154, 120 ve 115 tam katları alınarak elde edilmiş olan L1, 1575.42 MHz; L2, 1227.6 MHz L5, 1176.45 frekanslarıdır. 10
GPS sisteminin tasarımı aşamasında, L-Bant (1-2 GHz, IEEE), UHF (300 MHz -3 GHz) ve C-Bant (4-8 GHz, IEEE) frekansları incelenmiştir ve iyonosferik etkilerin diğer bantlara göre çok daha küçük olması nedeniyle L-Bant kullanımı tercih edilmiştir. GPS sisteminde çift frekans olmasının nedenleri; frekanslardan birinin herhangi bir nedenle kesilmesi ve ya elektronik karıştırmaya maruz kalınması durumunda diğer frekansın yedek frekans görevi görmesi ve çift frekans özelliğinden yararlanarak iyonosferik düzeltme olanağının sağlanmasıdır. İyonosferik etki, sinyal frekansının karesi ile ters orantılıdır. Buna göre L1 frekansındaki iyonosferik etki L2 frekansındaki iyonosferik etkiye göre %65, L5 sinyaline göre %79 daha fazladır. L1 ve L2 taşıyıcı frekansları, uydu saat düzeltmeleri, yörünge parametreleri gibi bilgilerin yeryüzündeki alıcıya ulaştırılabilmesi amacıyla kodlarla ve navigasyon mesajı verileriyle modüle edilmiştir. Bu modülasyon işleminde her bir uyduya tek anlamlı PRN (Pseudo Random Noise) kod numarası verilmiştir. Tüm uydular aynı taşıyıcı frekansta veri yayını yapmasına karşın, uydu sinyalleri PRN kod modülasyonu tekniği nedeniyle birbirleriyle karışmamaktadır. Her uydunun PRN kodu diğerlerinden bağımsız (korelasyonsuz) ve tek anlamlı olduğundan uydu sinyalleri birbirinden CDMA ( Code Division Multiple Access) tekniği ile ayırt edilebilmektedir. L1 taşıyıcı frekansı üzerinde iki PRN kodu ve navigasyon mesajı verileri modüle edilmiştir. Bu PRN kodları C/A ( Coarse/ Acquisition, Clear/Access) kod ve P (Precise/ Protected Code) kod olarak isimlendirilmektedir. L2 taşıyıcı frekansı ise yalnızca tek bir PRN kodu (P kod) ve navigasyon mesajı verileri ile modüle edilmiştir. P kod un, sadece askeri kullanıcılara açık olması nedeniyle 2005 yılına kadar sivil kullanıcılar tek frekans (L1, C/A kod) kullanabilmişlerdir. Sivil kullanıcıların iyonosferik düzeltme olanağı sağlayan çift frekans özelliğinden yararlanamamaları birçok tartışmaya neden olmuştur. Bunun sonucunda 2005 yılından itibaren Block IIR-M ve takip eden tüm uydu modellerinde L2 frekansı üzerinden C/A kod (L2C, L2 Civil Signal) yayınlanmaya başlanmıştır [9]. 11
2.6. GPS Antenlerinin Genel Özellikleri GPS alıcı anteninin temel görevi uydulardan yayınlanan sinyalleri, çevresindeki objelerden yansıyan sinyalleri (multipath) ayıklayarak almaktır. Bazı özel tasarımlı antenler bu özelliklere ilave olarak uydulardan gelen sinyallere diğer kaynaklardan karışan (interface signals) sinyalleri de ayıklama özelliğine sahiptir. GPS alıcısı anteni uydulardan yayınlanan elektromanyetik dalgalar içerisindeki enerjiyi, elektrik akımına dönüştürür, güçlendirir (amplify) ve alıcı elektrik devrelerine gönderir. 2.6.1. Polarizasyon GPS uydularından yayılan sinyaller, RHCP (Right-Hand Circular Polarized; Sağ-El Dairesel Polarizasyonlu) dalgalardır. İyonosferden geçen bu elektromanyetik dalgalar, tıpkı ışık gibi manyeto-optik bir olgu olan Faraday etkisine maruz kalır. Faraday etkisi, dairesel çift-kırınım olarak da adlandırılan, sol-el ve sağ-el dairesel polarize olmuş dalgaların çok az bir hız farkıyla yayınımlarına neden olur. Lineer polarize olmuş bir dalga, dairesel polarize iki dalgaya ayrışabileceğinden, aralarında Faraday etkisi tarafından meydana gelen faz farkı dalganın polarizasyon eksenini döndürür. GPS uydularından yayılan sinyallerde dairesel polarizasyonun kullanılmasının sebebi de Faraday etkisini en aza indirmek amacıyladır. Şekil 2.6-1 Sağ el dairesel polarizasyonlu bir düzlem dalga 12
Uydulardan yayılan RHCP özellikli sinyallerden maksimum gücü alabilmek için kullanıcı terminalinde de RHCP sinyalleri alabilen bir anten kullanılmalıdır. Lineer polarizasyonlu antenlerin kullanılması alınan güçte büyük kayıpların olmasına neden olur. 2.6.2. Eksenel Oran Eksenel oran (Axial Ratio), polarizasyon elipsinin eksenleri arasındaki orandır. Bu oran lineer polarizasyonda dur (eksenlerden birinin büyüklüğü 0 dır), tam olarak dairesel polarizasyonda ise 1 dir (0 db). GPS uygulamaları için eksenel oranın 3 db altında olması arzu edilen durumdur. 2.6.3. Rezonans Frekansı ve Bant Genişliği Çalışma frekansı olarak da bilinen antenin rezonans frekansının, yayılan dalgalarla aynı frekansta olması gerekmektedir. Gerçekte antenlerin imalat süreçlerinden dolayı bu frekanslar olması gerekenden 5 MHz kadar kayabilir. Yapılan tasarımlarda bu durum göz önüne alınmalıdır. Şekil 2.6-2 ve Tablo 2.6-1 de küresel konum belirleme sistemleri için tahsis edilmiş frekans bantları görülmektedir. Şekil 2.6-2 Küresel Konumlandırma Sistemleri frekans bantları [25] 13
KKS Polarizasyon Taşıyıcı Frekans Bant Genişliği F min F max L1 1575.42 1563 1587 GPS RHCP L2 1227.6 1215 1237 L5 1176.45 1164 1191 G1 1602 1593 1612 GLONASS RHCP G2 1246 1238 1255 G3 1204.704 1198 1213 E1 1575.42 1559 1591 E6 1278.75 1260 1300 GALILEO RHCP E5a 1176.45 1164 1191 E5 E5b 1207.14 1195.14 1219.14 E1 1589.742 1587.69 1591.79 COMPASS RHCP E2 1561.098 1559.05 1563.15 E6 1268.52 1256.52 1280.52 E5b 1207.14 1195.14 1219.14 Tablo 2.6-1 Küresel Konum Belirleme sistemleri frekans bantları GPS anteni, L1 ve L2 frekanslarının her ikisini de almak üzere tasarlanmışsa, her iki frekans aralığını da kapsayacak şekilde geniş bir bant aralığına sahip olmalı ya da L1 ve L2 frekanslarını ayrı ayrı kapsayan iki dar bant aralığına sahip olmalıdır. İki dar bant aralıklı bir anten kullanımı ile iki frekans arasındaki sinyal girişim etkilerinden kaçınılacağından, GPS antenlerinin dar bant aralıklarına sahip olmaları istenir. GPS bant aralıkları L1 frekansında 24 MHz, L2 frekansında 22 MHz, L5 frekansında 27 MHz dir. 14
2.7. GPS Anteni için Hedeflenen Gereksinimler Tasarımı yapılacak GPS anteni için sadece Bölüm 2.3. te listelenen özelliklerin sağlayan antenin seçilmesi yeterli değildir. GPS uygulamaları için farklı yapılarda anten tipleri mevcut olup bunlardan en çok kullanılanlar mikroşerit, dipol ve helix modelleridir. Mikroşerit anten günümüzde en çok tercih edilen anten modelidir. Bunlar çift bantta ölçü yapabilmekte, dayanıklı ve basit yapıdadır. Dipol antenler tek bantlı konfigürasyona sahip anten modelidir. Helix anten tipi mikroşerit antenler gibi L1 ve L2 frekanslarının her ikisinde de sinyal toplayabilmesine karşılık yüksek profilli bir görünüme sahiptir. Yaygın olarak diğer anten modelleri ise spiral ve choke ring (tıkanma halkalı) antenlerdir [9]. Kullanım amacına uygun olarak antenler alıcıyla aynı yapı içerisinde bütünleşik ya da ayrık yapıdadırlar. Ayrık yapıdaki antenler, alıcılara bir kablo aracılığıyla bağlanmaktadır. Kablo uzunlukları değişmekle birlikte veri kaybının olmaması amacıyla olabildiğince kısa kablolar tercih edilmelidir. GPS antenlerinin verimli çalışmasını etkileyen birçok faktör olup bunlar; ısı ve nem etkisi, tuzlu ortamlar, titreşim ve mekanik şok şeklinde sıralanabilir. Kullanım amacı doğrultusunda, kolay üretilebilmesi, monte edildiği yüzeyin aerodinamik yapısını bozmaması, çevresel faktörlere karşı dayanıklı olması gibi sebeplerden dolayı GPS anteni olarak mikroşerit bir yapının tasarlanması uygun görülmüştür. Antenin sağlaması gereken elektriksel karakteristikler Tablo 2.7-1 de verilmiştir. Parametre Özellik L1, 1575.42 ± 2 MHz minimum, ± 10 MHz arzulanan Frekans L2, 1227.60 ± 2 MHz minimum, ± 10 MHz arzulanan L2, 1176.45 ± 2 MHz minimum, ± 10 MHz arzulanan Kazanç 4 dbic üstü Polarizasyon Sağ-El Dairesel Polarizasyon (RHCP) Eksenel Oran 3 db altı Tablo 2.7-1 GPS anteni için hedeflenen elektriksel karakteristik 15
3. MİKROŞERİT ANTEN TEORİSİ 3.1. Mikroşerit Antenlerin Tarihçesi Mikroşerit yama anten kavramı ilk kez Deschamps (1953) tarafından ortaya atılmış sonrasında Gutton ve Baissinot tarafından bir mikroşerit antene patent alınmıştır. Ancak iyi dielektrik tabanların mevcut olmaması nedeniyle ilk pratik mikroşerit antenler 1970 lerin başında Howel ve Munson tarafından geliştirilmiştir. Carver ve Mink (1981), mikroşerit antenlerde kullanılan iletim hattı ve boşluk (kavite) modellemelerinden bahsetmiş aynı zamanda Moment Metodu (MoM) ve Sonlu Eleman Teknikleri (FET) gibi sayısal yöntemleri dikdörtgen mikroşerit antene uygulamışlardır. Kumar ve Gupta (1985), aynı tabaka üzerine ana yama ile birlikte yerleştirilmiş parazitik yamalar kullanarak bant genişliğini artırmışlardır. Mikroşerit antenlerin bazı dezavantajlarının kaldırılması için Sullivan ve Schaubert (1986) sınırlı bant genişliğinin bazı uygulamalar için artırılması üzerine çalışmış ve açıklık kuplajlı besleme tekniğini mikroşerit antenlere uygulamışlardır. Bu teknikte farklı iki veya daha fazla dielektrik madde kullanarak farklı alt katmanlar elde etmişler ve bu yöntemle mikroşerit antenlerin bant genişliğini %65 oranında artırmayı başarmışlardır. Bhattacharya ve diğ. (1991), dikdörtgen, dairesel ve eliptik halka şeklindeki mikroşerit antenlerde iletim hattı modelini kullanarak, ışıma örüntüsü, giriş empedansı, ortak ve öz empedansların hesaplanması üzerine yaptıkları çalışmalar neticesinde yeni ifadeler elde etmişlerdir. Yau ve Shuley (1998), Moment Metodunu (MoM) açıklık kuplajlı beslenmiş mikroşerit antenlere uygulamış ve aynı zamanda Green Fonksiyonunu kullanarak elektrik alan ve yüzey akımı denklemlerini elde etmişlerdir. Rahmat-Samii ve diğ. (2001) tarafından mikroşerit yapısı E harfi şeklinde modifiye edilerek mikroşerit antenin iki farklı frekansta, geniş bir bant aralığında çalışabilmesi sağlanmıştır [3][4][10][19][22][23][24]. 3.2. Mikroşerit Antenlerin Temel Karakteristikleri Mikroşerit antenler, üst tarafında ışıma amaçlı çok ince bir iletken levha (yama) bulunan, dielektrik alt katman (substrate, alt taş) ile bu katmanın alt tarafında da toprak olarak görev 16
yapan bir diğer iletken levhadan oluşmuştur. Mikroşerit antenler, yama (patch) anten olarak da isimlendirilirler [2]. Mikroşerit anten yamalarında, bakır veya altın gibi iletken materyallerin, çeşitli şekilleri baz alınarak farklı profillerde ışıyan antenler elde edilebilmektedir. Yamalar, farklı geometrik şekillerde olabilmektedir. Kare yamalı, dikdörtgen yamalı, dairesel yamalı, üçgen yamalı, çembersel yamalı mikroşerit antenler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun dışında E-şekilli, H-şekilli, U-şekilli, S-şekilli yamalı mikroşerit anten yapıları da geliştirilmektedir. Ancak matematiksel analiz ve performans hesaplarını sade hale getirmek amacıyla genellikle kare, dikdörtgen, daire, üçgen gibi şekillerde yamalar tercih edilir. Şekil 3.2-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan temel yama şekilleri [2] Mikroşerit anten üretiminde, çok çeşitli sayıda alt katman kullanılabilmektedir. Üretilen antenlerin kırılgan olmaması ve kolay üretilebilmeleri nedeniyle alt katman (substrate) genellikle dielektrik sabiti 2.2 εr 12 aralığında olan materyallerden seçilmektedir [2]. Mikroşerit antenler; üst yüzeydeki iletken yamanın kenarları ve toprak levhası arasındaki saçak alanlarından ışıma yaparlar. Alt katmanın kalın olması ve düşük dielektrik sabitine sahip olması, yüksek verim ve bant genişliği sağlamaktadır (Pozar, 1992). Ancak bu özelliklerdeki bir mikroşerit antenin boyutları artabilir. Bu nedenle, daha kompakt 17
mikroşerit anten tasarımlarında, yüksek dielektrik sabitine sahip alt katmanlar seçilerek daha düşük verimli ve bant genişlikli antenler ortaya çıkarılabilir. Düşük frekans aralıklarında boyutların büyümesinden dolayı mikroşerit antenler genellikle 1-100 GHz aralığında kullanılırlar. 3.3. Mikroşerit Antenlerin Avantajları ve Dezavantajları Mikroşerit antenler, cep telefonları, laptoplar gibi sistemlere entegre olarak ve ayrıca füzelerde, uzay mekiklerinde, uçaklarda telemetri ve haberleşme anteni olarak tercih edilmektedir. Başlıca avantajları: Hafif olmaları ve az hacim kaplamaları, Düşük fabrikasyon maliyetleri, Lineer ve dairesel polarizasyonun her ikisini de desteklemeleri, Mikrodalga devrelere kolayca entegre edilebilmeleri, Çift ve üçlü frekans uygulamalarına uygun olmaları, Katı yüzeylere monte edilmeleri durumundaki yüksek dayanıklılıkları ve çeşitli yüzeylere monte edilebilmeleri Mikroşerit antenlerin, konvansiyonel antenlere kıyasla başlıca dezavantajları: Dar bant genişliği, Düşük kazanç, Besleme ve birleşim noktalarındaki istenmeyen ışımalar (spurious radiation), Yüzey dalgaları uyarımı, Mikroşerit yama antenlerin en temel dezavantajı, dar bant genişliğidir. Araştırmacılar, bu sorunun üstesinden gelebilmek için farklı konfigürasyonlar kullanmıştır [10][20]. Bant genişliğini artırmak için kullanılan geleneksel metot, parazitik yamalar kullanmaktır [10]. Ancak bu metot anten boyutlarını ve yüksekliğini artırmaktadır. 18
3.4. Mikroşerit Antenleri Besleme Teknikleri Mikroşerit antenlerin beslemesi için farklı teknikler mevcuttur. Temel olarak temaslı ve temassız besleme olarak iki sınıfta incelenirler. Temaslı yöntemde, kaynaktan alınan güç ışıma yapan yamaya doğrudan tema eden bir yapı ile iletilir. Temassız yöntemde ise güç besleme hattı arasındaki elektromanyetik kuplaj ile gerçekleşir. Bu yöntemlerden en popüler dört tanesi; mikroşerit hat ile, koaksiyel hat ile, açıklık (aperture) kuplajlı ve yakınlık (proximity) kuplajlı beslemedir. Besleme Yöntemi Avantajlar Dezavantajlar Mikroşerit Hat Koaksiyel Hat Açıklık Kuplajlı (Aperture) Kolay üretilebilir, Kolay modellenebilir, Giriş empedansına kolay uyumlanabilir. Kolay üretilebilir, Giriş empedansına kolay uyumlanabilir. Kolay modellenebilir, Düşük parazitik ışıma. Dielektrik alt katmanın kalınlığının artması, parazitik ışımayı artırır. Bu da bant genişliğini sınırlar. Kalın dielektrik alt katmanlar için zor modelleme zorlukları. Üretim zorlukları, Düşük bant genişliği Yakınlık (Proximity) Kuplajlı Kolay modellenebilir, Düşük parazitik ışıma, Yüksek bant genişliği Üretim zorlukları Tablo 3.4-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan besleme teknikleri karşılaştırılması Kolay üretim teknikleri nedeniyle, temaslı besleme yöntemleri (mikroşerit hat, koaksiyel hat) daha çok tercih edilmektedir. Yayılım (propagasyon), besleme devresinden ayrı tutulduğu için bu yöntemlerin avantajlarını içerir. Besleme hattı ve anten arasında genellikle bir empedans uyumlandırmaya gereksinim duyulur, çünkü anten giriş empedansı, alışılmış 50Ω luk hat karakteristik empedansından farklıdır (Z A ve Z Y tam uyumlu olursa yansıma sabiti 0 olur). 19
Empedans uyumlandırma, besleme hattının yerinin uygun şekilde seçilmesiyle yapılabilir. Ayrıca besleme hattının yeri, antenin polarizasyonunu da belirler. Mikroşerit ve koaksiyel beslemeler için, Green fonksiyonu tekniği, besleme yerinin etkisinin hesaplanması için kullanılabilir. Şekil 3.4-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan besleme teknikleri mikroşerit hat, (b) koaksiyel hat, (c) açıklık kuplajlı, (d) yakınlık kuplajlı, 3.5. Mikroşerit Antenlerin Analizi Mikroşerit antenlerin analizi için kullanılan bir çok analiz metodu bulunmaktadır. En popüler olanları; iletim hattı, boşluk (kavite) ve tam dalga metotlarıdır. Tam dalga metotları şunlardır: moment metodu (MoM), sonlu elemanlar metodu (FEM), sonlu integral metodu (FIT). 20
İletim hattı modeli en kolay, en iyi fiziksel açıklama sağlayan ancak bunun yanında kesinlik payı diğerlerine nazaran daha düşük olan metottur. Boşluk metodu, iletim hattı metoduna göre daha zor olmakla birlikte daha fazla doğruluğa sahiptir. Tam dalga metotları ise genel olarak çok kesin sonuç verir, çok yönlüdürler ve uygulama alanları geniştir. Buna karşın, düşük fiziksel açıklama sağlarlar ve oldukça karmaşık modellerdir. Elektromanyetik simülasyon yazılımları, tam dalga metotlarını kullanarak çözümlerini gerçekleştirirler [2]. 21
4. DİKDÖRTGEN YAMALI MİKROŞERİT ANTENLERİN ANALİZİ 4.1. Dikdörtgen Yamalı Mikroşerit Antenin İletim Hattı Metodu ile Analizi Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenler, en yaygın kullanılan mikroşerit anten türüdür. İletim hattı ve boşluk metotları kullanılarak analiz edilmeleri çok kolaydır [2]. Şekil 4.1-1 de L uzunluğu ve W genişliğine sahip dikdörtgen yamalı bir mikroşerit antenin genel görünümü görülmektedir. Şekil 4.1-1 Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenin 3 boyutlu görünümü 4.1.1. Saçaklanma Etkileri Anten yamasının boyutları, uzunluk ve genişlik boyunca sınırlı olduğundan, yamanın kenarlarındaki alanlar toprağa doğru saçaklanırlar. Bu durum, Şekil 4.1-2(b) de gösterilmiştir. Saçaklanma etkisi, yamanın uzunluğu ve genişliği boyunca gözlenir. Saçaklanma etkisinin büyüklüğü, yamanın boyutları ve alt katmanın yüksekliğinin bir fonksiyonudur. E-düzlemi (xy-düzlemi) için saçaklanma etkisi, yama uzunluğunun alt katman yüksekliğine oranının L/h ve alt katmanın dielektrik sabitinin ε r fonksiyonudur. L/h>>1 olduğu durumda saçaklanma etkileri azalır. Saçaklanma etkisinin, rezonans frekanslarına etkisi göz önünde bulundurulmalıdır. Oluşan saçaklanmaların elektrik alan bileşenleri, hava ve dielektrik katman üzerinde iki dielektriği içeren homojen olmayan bir alan içerisinde yayılır. W/h >>1 ve ε r > >1 olduğu durumda, elektrik alan bileşenleri alt katmanda yoğunlaşır. Bu durumda, saçaklanma etkisi elektriksel olarak mikroşerit hattı fiziksel boyutlarından daha büyük gösterir. Dalgaların bir 22
kısmı alt katmanda, bir kısmı da havada yayıldığından, saçaklanma etkisini ve hattaki dalga yayılımını karşılamak için etkin dielektrik sabiti (ε reff ) tanımlanır. Etkin dielektrik sabiti, mikroşerit hattın merkez iletkeni, özgün boyutları ve yüksekliğiyle dielektrik alt katman içerisine yerleştirildiği varsayımıyla tanımlanır. Bu durumda etkin dielektrik sabiti, iletim hattının gerçek karakteristiğine sahip düzgün dağılımlı bir dielektrik malzemenin dielektrik sabiti olarak tanımlanır. Bu noktada, Şekil 4.1-2(c) de görülen hat her zaman, Şekil 4.1-2(a) daki gerçek hatla aynı elektriksel karakteristiğe sahip olur. Dielektrik alt katman ve havayla birlikte bulunan bir mikroşerit hat için, etkin dielektrik sabiti 1 < ε reff < ε r arası değerler alır. ε r >>1 olan uygulamalarda, ε reff değeri dielektrik alt katmanın gerçek dielektrik sabiti olan ε r ye daha yakındır. Etkin dielektrik sabiti, aynı zamanda frekansın da bir fonksiyonudur. Çalışma frekansı arttığında elektrik alan bileşenlerinin çoğu dielektrik alt katman içerisinde yoğunlaşacağından mikroşerit hat, tek dielektrikten oluşan daha homojen bir hat gibi davranır. Şekil 4.1-2 Saçaklanma etkileri (a) mikroşerit hat, (b) elektrik alan çizgileri, (c) etkin dielektrik sabiti geometrisi [2] Düşük frekanslarda, etkin dielektrik sabiti genellikle sabittir. Orta frekanslarda ise değeri monoton olarak artar ve dielektrik alt katmanın dielektrik sabitine yaklaşır. Etkin dielektrik sabitinin ilk değerleri statik değerler olarak ifade edilir. W/h > 1 için, etkin dielektrik sabiti şu şekilde hesaplanır: [ ] (4.1) 23
4.1.2. Etkin Uzunluk, Genişlik ve Rezonans Frekansı Saçaklanma etkisi elektriksel olarak mikroşerit hattı, fiziksel boyutlarından daha büyük gösterir. E-düzlemi için (xy-düzlemi) yamanın boyutları, yamanın uzunluğu boyunca her iki kenarından da ΔL uzunluğunda genişler. ΔL uzunluğu, etkin dielektrik sabiti ε reff ve genişlik, yükseklik oranının (W/h) bir fonksiyonudur. Pratik bir yaklaşım ile normalize edilmiş uzunluk artışı şu şekilde verilir: [ ] [ ] (4.2) Yamanın boyutları her iki kenardan da ΔL uzunluğunda genişlediği için yamanın etkin uzunluğu şöyle olur: ( Saçaklanmanın olmadığı baskın mod (TM 010 ) için, L=λ/2 ) (4.3) Baskın mod (TM 010 ) için mikroşerit antenin rezonans frekansı, uzunluğun bir fonksiyonudur. Genellikle şöyle verilir: (4.4) Eş. 4.4 te c, boşluktaki ışık hızıdır. Bu eşitlik, saçaklanma etkisi göz önüne alınarak genişletilmelidir: (4.5) 24
4.1.3. Tasarım Elde edilen eşitlikler yardımıyla, dikdörtgen yamalı bir mikroşerit antenin pratik tasarımı yapılabilir. Tasarım prosedürü, alt katmanın dielektrik sabiti (ε r ), rezonans frekansı (f r ) ve alt katman yüksekliği (h) bilindiği kabulüyle gerçekleştirilir. Bu prosedüre göre yama uzunluğu ve genişliği belirlenebilir. Tasarım şu adımlardan oluşur: I. Etkin bir ışıma için yama genişliği: (4.6) II. III. IV. Etkin dielektrik sabiti Eş. 4.1 den hesaplanır. Eş. 4.1 den bulunan etkin dielektrik sabiti ve Eş. 4.6 dan bulunan yama genişliği kullanılarak, Eş. 4.2 den ΔL uzunluk artışı hesaplanır. Eş. 4.5 kullanılarak yada şu eşitlikle yama uzunluğu hesaplanır: (4.7) 4.2. Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten Dairesel polarizasyonlu mikroşerit antenler pek çok farklı şekilde üretilebilir. Anten yaması, üçgen, kare, dikdörtgen, daire, halka, elips şeklinde olabilir. Dairesel polarizasyonlu mikroşerit antenler, küresel konumlama sistemi (GPS), uydu haberleşmesi ve kablosuz ağ uygulamaları sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar. Mikroşerit antenler için dairesel polarizasyon, değişik şekillerde meydana getirilebilir. En çok kullanılan yöntemler, çift besleme veya tek besleme kullanılarak dairesel polarizasyon üretilmesidir. Tek beslemeli antenler, başka bir eleman kullanımına ihtiyaç duymadan dairesel polarizasyon üretebildikleri için daha kullanışlıdırlar. 25
4.2.1. Çift Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten Şekil 4.2-1 de Güç bölücü ile çift beslemeli hale getirilen dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten tiplerine bir örnek verilmiştir. Bu tip kullanımlarda yama genellikle, kare veya daire şeklindedir. Şekil 4.2-1 Güç bölücü yardımıyla çift beslenmiş bir mikroşerit anten Birbirine dik iki beslemeden oluşan çift besleme, aynı genlikte olan 90 faz farklı birbirine dik iki mod üretir. Birbirine dik ve 90 faz farklı iki lineer polarizasyonlu dalga, dairesel polarizasyonlu bir dalga meydana getirir. Dairesel polarizasyon çeşitli konfigürasyonda güç bölücü devreleriyle oluşturulabilir. T- eklemli güç bölücü, Wilkinson güç bölücü, çeyrek dalga hibrit ve halka güç bölücü bunlara örnek verilebilir. Bunlardan çeyrek dalga hibrit güç bölücü, girişi eşit genlikli fakat 90 faz farklı iki çıkışa böler. Diğer güç bölücüler, 90 faz farkı için çıkış kollarından birinde çeyrek dalga boylu bir hatta ihtiyaç duyar. Çift besleme yapıları mikroşerit hatlar dışında koaksiyel hatlarla yapılan beslemelerde de kullanılmaktadır. Şekil 4.2-2 de koaksiyel hatlarla, oluşturulmuş çift besleme yapısı görülmektedir. 26
Şekil 4.2-2 Çift koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları: (a) dairesel yama, (b) kare yama 4.2.2. Tek Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu mikroşerit antenler Şekil 4.2-3 te verilmiştir. Tek noktadan beslemeli yamalar genellikle lineer polarizasyonlu ışıma yaparlar. Dairesel polarizasyonu sağlamak için yama yapılarında çeşitli değişiklikler yapılır. Kare yamayı köşegen uçlarından üçgen veya kare biçiminde kesmek, kenarlarına simetrik biçimde karesel parçalar eklemek veya çıkarmak ya da içerisine çentik açmak dairesel polarizasyonu sağlamak için kullanılan yöntemlerdendir. Şekil 4.2-3 Tek koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları: (a) dairesel yama, (b) kare yama Şekil 4.2-4, Şekil 4.2-5 ve Şekil 4.2-6 da dairesel polarizasyonlu hale getirilmiş, kare yamalı, dairesel yamalı ve üçgen yamalı mikroşerit antenler görülmektedir. 27
Şekil 4.2-4 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu kare yamalı mikroşerit anten yapıları: (a) köşegen beslemeli kareye yakın yama; (b) iki eklentili, (c) iki çentikli, (d) iki köşesi üçgen şeklinde kesilmiş, (e) iki köşesi kare şeklinde kesilmiş, (e) köşegen açıklıklı kare yamalar Şekil 4.2-4(a) da verilen köşegen beslemeli kareye yakın yama, dairesel polarizasyon oluşturmak için kullanılan en basit yöntemlerdendir. İki dik kenar uzunluğunun oranı (L 1 /L 2 ) alt katman parametrelerine bağlı olarak 1.01-1.10 aralığında olmalıdır. Şekil 4.2-4(b) ve (c) de verilen kenar modifiyeli kare yamalar, tek bir eklenti ya da tek bir çentik kullanarak da dairesel polarizasyon oluşturulabilmektedirler. Bu durum yapının simetrisini bozar, ancak her iki kenarı modifiyeli kare yamalarla aralarında performans açısından bir fark olmaz. Şekil 4.2-4(d) ve (e) de verilen köşe modifiyeli kare yamalar rezonans frekansını, köşeleri kesilmemiş olan aynı boyutlu kare yamalara göre artırır. Bu önemli bir bulgudur çünkü yüksek frekanslarda çalışan daha küçük boyutlu antenler yapılabilmesi anlamına gelir. 28
Şekil 4.2-4(f) de verilen diyagonal açıklıklı kare yamanın rezonans frekansı, köşegen üzerinde bulunan açıklığın, köşegenleri farklı uzunluklara getirmesi nedeniyle değişir. Bu durum, açıklığın boyutunun değiştirilerek rezonans frekansın ayarlanabilmesini sağlar. Şekil 4.2-5 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu daire yamalı mikroşerit anten yapıları: (a) eliptik yamalı; (b) iki çentikli, (c) iki eklentili, (d) dikdörtgen açıklıklı daire yamalar Şekil 4.2-5(a) da verilen eliptik yamada, dairesel polarizasyon oluşturmak için eksenel uzunlukların oranı (a/b) alt katman parametrelerine bağlı olarak 1.01-1.10 aralığında olmalıdır. Şekil 4.2-4(b), (c) ve (d) de yamalarda bulunan eklenti, çentik ve açıklıklar kare yamalardakiyle benzer etkiler gösterir. Daire yamalı mikroşerit antenler, kare yamalı mikroşerit antenlerle benzer performans gösterirler. 29
Şekil 4.2-6 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu üçgen yamalı mikroşerit anten yapıları: (a) ikizkenar, (b) kesik uçlu, (c) dikdörtgen açıklıklı, (d) çentikli üçgen yamalar Şekil 4.2-6(a) da verilen ikizkenar üçgen yamada, dairesel polarizasyon oluşturmak için kenarlar arasındaki uzunlukların oranı (S 1 /S 2 ) alt katman parametrelerine bağlı olarak 1.01-1.10 aralığında olmalıdır. Şekil 4.2-6(b), (c) ve (d) de yamalarda bulunan kesik, açıklık ve çentikler kare yamalardakiyle benzer etkiler gösterir. Gösterilen tek beslemeli dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapılarında, sağ-el veya sol-el dairesel polarizasyon besleme noktasına göre belirlenir. Ayrıca, LHCP dalgaları alan bir noktanın verilen eksenler üzerinde simetriği alındığında bulunan noktadan RHCP dalgalar alınabilmektedir. Bu durumun tam tersi de (vice versa) doğrudur. 30
5. GPS ANTENİ TASARIMLARI GPS in sivil kullanımı, yalnızca C/A (Coarse/Acquisition, Clear/Access) kodlarıyla mümkündür. 2005 yılına kadar C/A kodlar sadece L1 taşıyıcı frekansı üzerinden taşınmıştır. Sivil kullanıcıların iyonosferik düzeltme olanağı sağlayan çift frekans özelliğinden yararlanamamaları birçok tartışmaya neden olmuştur. Bunun sonucunda 2005 yılından itibaren Block IIR-M ve takip eden tüm uydu modellerinde L2 frekansı üzerinden C/A kod (L2C, L2 Civil Signal) yayınlanmaya başlanmıştır. Bu iki frekansa ek olarak 2009 senesinden itibaren, GPS in modernizasyonu kapsamında L5 taşıyıcı frekansı üzerinden de sivil amaçlı GPS sinyali yayınlanmaktadır. GPS ile konum belirlemede temel hata kaynakları; uydu efemeris hataları, uydu saati hataları, iyonosferik etkiler ve troposferik etkiler olarak sıralanabilir. Bu hata kaynakları dışında Mayıs 2000 tarihine kadar, ABD savunma bakanlığı (DoD) tarafından uygulanan seçimli doğruluk erişimi (SA, selective availability) ismi verilen ve sivil kullanıma açık sinyal yayan Block II modeli uydulara uygulanan başka bir hata kaynağı daha mevcuttu. Bu bozucu etki, Diferansiyel GPS (DGPS) gibi ölçüm tekniklerinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. GPS te tek frekans (L1) kullanılarak da doğru ölçümler yapabilmek geliştirilen bu tür tekniklerle mümkün hale gelmiştir. Tek frekans ile Duyarlı Nokta Konumlandırma (PPP, Precise Point Positioning) metodu kullanılarak, desimetre seviyelerine kadar doğrulukta konum belirlenebilmektedir. Ancak bu teknikler pahalı alıcı devreleri gerektirmektedir. GPS te çift frekans kullanılmasının nedenleri; frekanslardan birinin herhangi bir nedenle kesilmesi ve ya elektronik karıştırmaya maruz kalınması durumunda diğer frekansın yedek frekans görevi görmesi ve çift frekans özelliğinden yararlanarak iyonosferik düzeltme olanağının sağlanmasıdır. GPS te L1 ve L2 frekansları kullanılarak 1m. nin altında hassasiyete ulaşmak mümkündür. Bu iki frekansa ek olarak L5 (1176.45 MHz) sivil amaçlı sinyali, 24 Mart 2009 tarihinde yörüngeye yerleştirilen Block IIR-20(M) uydusu ile 10 Nisan 2009 tarihinden itibaren 31
yayınlanmaya başlamıştır. Bu durum, GPS modernizasyon çalışmalarında önemli bir dönüm noktasıdır. 2005-2010 yılları arasında yörüngeye yerleştirilmesi planlanan Block IIF uydularının, faaliyette olan uyduların kullanımlarının devam etmesi nedeniyle yörüngeye yerleştirilmesi işlemi gecikmiştir. İlki 27 Mayıs 2010 tarihinde, ikincisi 16 Temmuz 2011 tarihinde ve üçüncüsü 4 Ekim 2012 tarihinde yörüngeye yerleştirilen toplam 12 adet olacak Block IIF uydularının 2016 yılına kadar yörüngeye yerleştirilmesi beklenmektedir [9]. GPS ölçümlerinde üç frekansın kullanılması kullanıcılara çok yüksek hassasiyette ölçüm olanağı sağlayacaktır. 5.1. Tek Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımları 5.1.1. L1 Frekansında Çalışan E-Şekilli Mikroşerit Anten Tasarımı E-şekilli mikroşerit anten, dikdörtgen yama içerisine doğru iki paralel slot açılması ile oluşturulur. Yamanın topolojik şekli, E harfine benzediği için bu antenlere E-Şekilli mikroşerit anten ismi verilmiştir. Mikroşerit hat ile besleme, kolay üretimi ve rezonans frekansındaki değişimlerin iletken boyutlarının değiştirilerek giderilebilmesi nedeniyle kullanışlıdır ancak alt katmanın yüksekliğinin yaptığı etki gibi istenmeyen ışımalara (bkz. Bölüm 4.1.1) neden olduğundan bant genişliğini sınırlamaktadır. Mikroşerit hat ile besleme yamanın topolojik şeklini bozacağı gibi aynı zamanda anten karakteristiğini de etkilemektedir. Koaksiyel kablo ile besleme, kalın dielektrik alt katmanlar için zor modellenebilmektedir ancak saçaklanma etkisinin düşük seviyede olması ve geniş bant aralığını olanaklı kılmasıyla istenilen bant genişliğinin daha kolay ayarlanabilmesi amacıyla avantajlıdır. 32
Şekil 5.1-1 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin yapısı Anten geometrisi Şekil 5.1.1 de gösterilmiştir. Anten: Yama boyutları için: uzunluk (L = 46 mm) ve genişlik (W = 57 mm) Alt katman için: yükseklik (h = 10 mm) Besleme için: besleme noktası ( Xf = -14 mm, Yf = 0 ) Slotlar için: slot genişliği (Ws) ile slot uzunluğu ise yama uzunluğu (L), (iç=1.5mm) ve (dış=1.5mm) çıkıntı parametreleri kullanılarak modellenmiştir. Bu antende, düşük maliyetli ve dayanıklı olması nedeniyle dielektrik sabiti 2.2 olan Rogers RT5880 maddesi dielektrik alt katman olarak kullanılmıştır. Anten yaması ve toprak levhası için de yine oldukça düşük maliyetli bir materyal olan bakır kullanılmıştır. Tasarlanan antenin beslemesi koaksiyel kablo ile yapılmıştır. Akım akışı, besleme noktasından üst ve alt kenarlara doğrudur. L ve C değerleri, bu akım yolu uzunlukları ile belirlenir. Şekil 2 de görüldüğü üzere; yamaya iki slot dahil edildiğinde rezonans özellikleri değişir. Yamanın orta kısmında, akımın akışı sıradan yama antenlerde olduğu gibidir: 33
Başlangıç LC devresi ve başlangıç frekanslarındaki rezonansı gösterir. Bu etki, bir seri indüktans ΔLs gibi modellenebilir (Zhang ve Yang, 1998). Bu nedenle eş değer devre daha düşük bir frekansta rezone olmaktadır ve anten tek bir rezonant devreden çift rezonant devreye değişir. Şekil 5.1-2 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri dönüş kaybı (S 11 ) grafiği Şekil 5.1-2 de, CST MWS programı kullanılarak benzetimi yapılan antenin, geri dönüş kaybı grafiği görülmektedir. Anten, 1547.5 MHz 1604.6 MHz arasında çalışmakta ve 1575.42 MHz frekansında (L1 frekansı) rezone olmaktadır. Antenin bant genişliği 57 MHz dir. E-şekilli antenler dairesel polarizasyon üretebilmektedirler. Bu nedenle tasarlanan antenin, sağ el dairesel polarizasyon kazancının yüksek olması (4 dbic veya üstü) olması beklenir. 4.6 dbic kazanca sahip olan antenin, tek frekanslı bir GPS anteni için isterleri başarılı bir şekilde sağladığı söylenebilmektedir. 34
Şekil 5.1-3 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç grafikleri 5.1.2. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Mikrodalga Alt Katmanlı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı Mikroşerit antenleri, istenilen frekansta çalıştırmak için pek çok farklı teknik vardır. Genel olarak, mikroşerit antenler yarım dalga boyunda olurlar. Baskın mod (TM 01 yada TM 10 ) için dikdörtgen yamalı mikroşerit antenin rezonans frekansı Eş. 5.1 deki gibi verilir. (5.1) 35
Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenlerde, dairesel polarizasyon çeşitli şekillerde sağlanır. Köşegen uçlarını üçgen şeklinde kesmek bu yöntemlerden birisidir (bkz. Bölüm 4.2.2.). Şekil 5.1-4 Köşegen uçları kesilmiş kare yamalı dairesel polarizasyonlu GPS anteni Şekil 5.1-4 de GPS uygulaması için tasarlanmış köşeleri kesilmiş kare yamalı bir mikroşerit anten görülmektedir. Bu yapıda L = 51.9 mm, T = 4.8 mm, F = 10.7 mm olarak seçilmiştir. Dielektrik alt katman olarak, dielektrik sabiti ε r = 3.0 olan h = 6.5 mm yüksekliğinde Arlon AD300 isimli madde kullanılmıştır. L x L boyutlarında olan yamanın köşegen uçlarından, eşit olan kenarları T uzunluğunda olan 2 adet ikizkenar üçgen kesilmiştir. Toprak levhası, 80mm x 80mm boyutlarında seçilmiştir. Şekil 5.1-1 de görüldüğü üzere, koaksiyel beslemenin y ekseni üzerinde yerleştirilmesi, antenin RHCP dalgaları alabilmesini sağlamıştır. Bu konfigürasyon için, besleme noktasının x ekseni üzerine yerleştirilmesi ise antenin LHCP dalgaları alabilmesine neden olur. Bir başka deyişle, böyle bir konfigürasyonda beslemenin x veya y ekseni üzerine yerleştirilmesi 90 faz farklı ve aynı genlikte dairesel polarizasyon üretilmesini sağlar. 36
Şekil 5.1-2 de, CST MWS programı kullanılarak benzetimi yapılan antenin, geri dönüş kaybı grafiği görülmektedir. Anten, 1535.2 MHz 1608.8 MHz arasında çalışmakta ve 1575.42 MHz frekansında (L1 frekansı) rezone olmaktadır. Antenin bant genişliği 73 MHz dir. Şekil 5.1-5 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri dönüş kaybı (S 11 ) grafiği Şekil 5.1-3 te antenin, 2 ve 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri görülmektedir. Ana ışıma lobu, sağ-el dairesel polarizasyon için 4.6 dbic kazanca sahip olan antenin, tek frekanslı bir GPS anteni için isterleri başarılı bir şekilde sağladığı söylenebilmektedir. 37
Şekil 5.1-6 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç grafikleri 5.1.3. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Seramik Alt Katmanlı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı Bölüm 5.1.1. de verilen anten tasarımı başka bir dielektrik alt katmanın kullanımıyla da gerçekleştirilebilir. Farklı bir alt katman kullanmak, anten boyutlarını değiştirecektir. Bu yapıda dielektrik sabiti ε r = 28.2 ve yüksekliği h = 6mm olan seramik maddesi dielektrik alt katman olarak kullanılmıştır. Eş. 5.1 e göre alt katman olarak ε r = 28.2 olan bir madde kullanıldığındaki yama boyutlarının, alt katman olarak ε r = 3 olan bir başka madde kullanılan antenin yama boyutlarına oranı yaklaşık olarak 1/3.26 olmalıdır. Buna göre 38
Bölüm 5.1.1. de verilen tasarıma göre yama alanının yaklaşık olarak %10 una düşmesini bekleyebiliriz. Bu yapı da Şekil 5.1-1 deki yapının aynısıdır. L = 14.33 mm, T = 1.5 mm, F = 2.3 mm ve toprak levhası da 50 mm x 50 mm olarak seçilmiştir. L x L boyutlarında olan yamanın köşegen uçlarından, eşit olan kenarları T uzunluğunda olan 2 adet ikizkenar üçgen kesilmiştir. Alt katman olarak ε r = 28.2 olan seramik maddesinin kullanılması, anten boyutlarını oldukça düşürmüştür. Şekil 5.1-4 te, CST MWS programı kullanılarak benzetimi yapılan antenin, geri dönüş kaybı grafiği görülmektedir. Anten, 1557.1 MHz 1593.8 MHz arasında çalışmakta ve 1575.42 MHz frekansında (L1 frekansı) rezone olmaktadır. Antenin bant genişliği 37 MHz dir Şekil 5.1-4 Seramik alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri dönüş kaybı (S 11 ) grafiği Şekil 5.1-5 te antenin, 2 ve 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri görülmektedir. Antenin, ana ışıma lobu, sağ-el dairesel polarizasyon için 1.82 dbic kazanca sahiptir. Bu antenin, sağ el dairesel polarizasyon başarım oranı bir önceki antene göre daha düşüktür. 39
Şekil 5.1-5 Seramik alt katmanlı GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç grafikleri 5.2. Çift Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı 5.2.1. L1 ve L2 Frekansında Çalışan Çift Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni Çift frekansta çalışan mikroşerit antenler oluşturmak için kullanılan iki temel yöntem vardır. Bunlardan birincisi, tek yamalı tasarımdır. Tek yamalı tasarımlarda (bkz. Bölüm 5.1.2 ve Bölüm 5.1.3) çalışma frekansları arasındaki oran 1.5 ya da daha fazladır. Bu durum GPS L1 (1575.42 MHz) ve L2 (1227.6 MHz) frekanslarında çalışacak anten yapımını zorlaştırır. Öte yandan çift yamalı tasarımlar, antenin her iki GPS frekansını kapsamasına 40
yol açan esnekliği sağlar. Çift yamalı tasarım her iki yamanın yan yana yerleştirilmesiyle elde edileceği gibi yığıt halinde üst üste yerleştirilmesiyle de elde edilir. Gerçekleştirilen tasarımda; Bölüm 5.1-2 ve Bölüm 5.1.-3 te kullanılan geometriye, mevcut yamadan farklı boyutlu başka bir yama anten eklenmiştir. Bu tasarım; anten kalınlığını, üretim zorluğunu ve maliyeti artırmaktadır. Ancak bu sorunların, alt katman olarak düşük maliyetli tek bir madde kullanarak ve hava boşluğu ya da köpük tabakası kullanmayarak üstesinden gelinebilir. Şekil 5.1-6 da çift frekansta çalışan (9cm x 9cm x 0.57cm) boyutlarındaki GPS anteni yapısı görülmektedir. Şekil 5.2-1 Çift yamalı, köşegen uçları kesilmiş, kare yamalı, dairesel polarizasyonlu GPS anteni Yapılan tasarımda, koaksiyel hat ile besleme yöntemi kullanılmış ve antenin beslemesi, üst yamadan yapılmıştır. Alt katman olarak, dielektrik katsayısı ε r = 14 olan Ferro ULF140 maddesi kullanılmıştır. Alt katmanın arasına alt yama, alt katmanın üstüne ise üst yama yerleştirilmiştir. Alt yama, koaksiyel besleme ile temas etmediğinden üst yamaya kuplajlanarak ışıma yapar. a1 x a1 boyutundaki alt yama, düşük olan rezonans frekansını; a2 x a2 boyutundaki üst yama ise, yüksek olan rezonans frekansını kontrol etmektedir. Frekans, ışık hızı ve dalga boyu arasındaki ilişkiyi veren Eş.5.2 den görüldüğü gibi frekans 41
arttıkça -ışık hızı sabit olduğundan dolayı- dalga boyu (anten boyu) azalır. Dolayısıyla anten boyu ile frekans arasındaki ilişki ters orantılıdır. (5.2) Buradan yapılacak çıkarımla; yama boyutlarının artmasının rezonans frekansını azaltacağı, yama boyutlarının azalmasının ise rezonans frekansını artıracağı söylenebilir. Bu sayede a1 ve a2 uzunluklarını değiştirerek antenin, istenilen rezonans frekanslarında ışıma yapması sağlanır. Bu durum Şekil 5.2-2 den de anlaşılabilmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta; alt yamanın sanki üst yamanın toprak levhasıymış (ground plane) gibi davranmasıdır. Bu durum; yama uzunluklarını değiştirmenin, yamaların etkili olmadıkları rezonans frekanslarındaki geri dönüş kaybını artırması gibi olumsuz sonuçlara yol açabilmektedir. Yapılan tasarım bu durum göz önüne alınarak gerçekleştirilmiştir. Şekil 5.2-2 Alt yama boyutunun, rezonans frekanslarına olan etkisi Şekil 5.2-3 Yapılan tasarım için CST MWS da oluşturulan model 42
Yapılan tasarım için kullanılan parametreler ve değerleri mm cinsinden Tablo 5.2-4 te ayrıntılı olarak verilmiştir. Parametre Değer Tanım G 45 Toprak levhasının yarı uzunluğu s1 1.6 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu s2 1.9 Üst yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu a1 28.93 Alt yama kenar uzunluğu a2 24.8 Üst yama kenar uzunluğu f 4.2 Besleme noktası fi 0.7 Besleme iç yarıçapı fo 1 Besleme dış yarıçapı gr 0.07 Toprak levhası kalınlığı t 0.07 Yama kalınlığı h1 4 Alt substrate kalınlığı h2 1.6 Üst substrate kalınlığı hole 1 Alt yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı Tablo 5.2-1 Tasarım parametreleri Elde edilen bulgulara göre, h1 parametresinin düşük olan rezonans frekansı üzerinde etkili olduğu görülmüştür. hole, fo ve fi gibi parametrelerin ise rezonans frekanslarını artırıcı ya da azaltıcı etkisi bulunmamaktadır ancak bu parametreler geri dönüş kaybı üzerinde etkilidir. Besleme noktası (f) bulunduğu konum itibariyle dairesel polarizasyon üretilmesini sağlar ve besleme noktasının merkeze olan uzaklığı empedans uyumlandırmasını sağlar. Benzetim sonuçlarına göre bu antenin 10 db bant genişliği 11 MHz ve 13.5 MHz olarak görülmüştür. Bu rakamlar fabrikasyon hatalarından oluşabilecek kaymaları kompanse edebilecek düzeydedir. Şekil 5.2-4 L2 çalışma frekansı bant genişliği 43
Şekil 5.2-5 L1 çalışma frekansı bant genişliği Şekil 5.2-6 da antenin, 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri görülmektedir. L2 frekansı için sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin 1.67 dbi, L1 frekansı için ise sağ el polarizasyon kazanç değerinin 4.21 dbi olduğu görülmektedir. Şekil 5.2-6 L2 ve L1 çalışma frekansları için sağ el dairesel polarizasyon grafiği 44
L2 frekansındaki sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin daha düşük olmasının sebebi, alt yamanın çapraz iki köşesi üzerinden kesilen ikizkenar üçgenlerin besleme noktasına göre ters taraftan kesilmesidir. Besleme noktasının aynı bölgede kalması (+x ekseni üzerinde) şartıyla, alt yamanın kesik köşelerinin, üst yamayla aynı yönde olduğu durumda anten ışıması sağ el dairesel polarizasyonlu olur. Yapının bu haliyle L2 frekansı için sol el dairesel polarizasyon kazancının daha yüksek olmasını bekleriz. Şekil 5.2-7 L2 çalışma frekansı için sol el dairesel polarizasyon grafiği 5.3. Üç Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı 5.3.1. L1, L2 ve L5 Frekansında Çalışan Üç Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarlanan bu yapıda; Bölüm 5.2.1. de yer alan, çift frekansta çalışan GPS anteninin çalışma prensibine benzer şekilde, antenin üçüncü bir rezonans frekansında çalışabilmesi için anten geometrisine üçüncü bir yama eklenilmiştir. Anten geometrisi Şekil 5.3-1 de gösterilmiştir. Yapıda, düşük maliyetli olması nedeniyle alt katman (substrate) olarak dielektrik katsayısı ε r = 4.3 olan FR4 materyali kullanılmıştır. Alt katman, üst üste 3 adet karesel yama ve toprak levhası ile 3 tabakaya ayrılmıştır. Bu tabakaların uzunlukları; h1=1mm, h2=2mm ve h3=2mm dir. Antenin beslemesi, tek koaksiyel hat kullanılarak üst yamadan yapılmıştır. Alt ve orta yamalar, koaksiyel besleme ile temas etmediğinden üst yamaya kuplajlanarak ışıma yapmaktadırlar. 45
Şekil 5.3-1 Üç bantlı GPS anteninin (a) üstten ve yandan görünümü (b) CST MWS de oluşturulan yapısı Parametre Değer Tanım Lp 58 Alt yama kenar uzunluğu Mp 56.5 Orta yama kenar uzunluğu Up 45.2 Üst yama kenar uzunluğu a 4.7 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu b 4.9 Orta yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu c 4.1 Üst yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu h1 1 Üst substrate kalınlığı h2 2 Orta substrate kalınlığı h3 2 Alt substrate kalınlığı lower_hole_radius 1.8 Alt yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı middle_hole_radius 1.4 Orta yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı probe_position 10 Besleme noktası probe_radius 0.65 Besleme hattı yarıçapı ground 70 Toprak levhası kenar uzunluğu ground_hole_radius 2 Toprak levhasında bulunan, besleme açıklığı yarıçapı ground_thickness 0.07 Toprak levhası kalınlığı thickness 0.07 Yama kalınlığı Tablo 5.3-1 Tasarım parametreleri Tasarım parametreleri, mm cinsinden Tablo 1 de verilen anten 7cm x 7cm x 0.53cm boyutlarındadır. Lp x Lp boyutundaki alt yama, en düşük çalışma frekansı (L5, 1176.45 MHz); Mp x Mp boyutundaki orta yama, orta çalışma frekansı (L2, 1227.6 MHz) ve Up x 46