L1, L2 ve L5 Frekanslarında Çalışan Üç Katmanlı Mikroşerit GPS Anteni Tasarımı Sertaç ERDEMİR 1 Asım Egemen YILMAZ * Özet: Bu çalışmada Küresel Konumlandırma Sistemleri ölçümlerindeki kullanımı gittikçe yaygınlaşan mikroşerit antenler incelenerek, Küresel Konumlandırma Sistemleri içerisinde en gelişmişi olan GPS için L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarında çalışan, tek koaksiyel hat ile beslenen, üç bantlı ve yüksek kazançlı bir mikroşerit yama anten tasarımı yapılmıştır. 7cm 7cm 0.53cm boyutlarındaki anten modeli, yığıt yapısı (stacked microstrip antenna) temel alınıp, üç katmanlı olarak oluşturulmuştur. Elde edilen tasarım, CST Microwave Studio programında simüle edilerek optimize edilmiştir. 1. GİRİŞ Mikroşerit antenler, temel olarak 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 yapan bir diğer iletken levhadan oluşurlar [1]. Mikroşerit antenler, hafif olmaları, az hacim kaplamaları, düşük fabrikasyon maliyetleri, lineer ve dairesel polarizasyonun her ikisini de desteklemeleri, mikrodalga devrelere kolayca entegre edilebilmeleri ve çoklu frekans uygulamalarına uygun olmaları gibi avantajları nedeniyle; bu özelliklere sahip düşük profilli anten kullanımının gereklilik olduğu hava araçlarında, uzay mekiklerinde, füzelerde, uydularda, cep telefonlarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadırlar [1]. Küresel Konumlandırma Sistemlerinde (GPS, Galileo, Glonass, Beidou, IRNSS) de diğer anten türlerine göre mikroşerit antenler giderek artan bir kullanım alanı bulmaktadır. Şekil 1. Küresel Konumlandırma Sistemleri frekans bantları [9] 1 Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 06100 Tandoğan, Ankara, İletişim Yazarı: A.E. Yılmaz (aeyilmaz@eng.ankara.edu.tr) 1
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) ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarıdır [4]. 2. L1, L2 VE L5 FREKANSINDA ÇALIŞAN ANTENİN TASARIMI Çoklu frekanslarda çalışan mikroşerit antenler oluşturmak için kullanılan iki temel yöntem vardır. Bunlardan birincisi, tek yamalı tasarımdır. Tek yamalı (single-patch) tasarımlarda, çalışma frekansları arasındaki oran 1.5 ya da daha fazladır. Bu durum, GPS L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.6 MHz) ve ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarında çalışacak anten yapımını zorlaştırır. Öte yandan yığıt yamalı (stacked-patch) tasarımlar, antenin birbirine yakın rezonans frekanslarını kapsamasına yol açan esnekliği sağlar [2]. Literatürde, GPS L1 ve L2 frekanslarını kapsayan yığıt yamalı mikroşerit antenler bulunmaktadır [2][6][7]. Bu prensip, birbirine yakın üç rezonans frekansını kapsayan, yığıt yamalı mikroşerit antenlerin yapılmasını da mümkün kılar [3]. Üç yamalı tasarım her üç yamanın yan yana yerleştirilmesiyle elde edilebilir. Böyle bir yapı ile istenilen rezonans frekanslarını elde etmek, istenmeyen ışımaların fazla olması nedeniyle oldukça zordur. Bu çalışmada katmanlar, yığıt halinde üst üste yerleştirilerek kontrol edilemeyen ışımaların daha düşük seviyede kalması sağlanmıştır. Bu yapının kullanılması, antenin optimizasyon sürecini de hızlandırmıştır. GPS sinyalleri sağ el dairesel polarizasyonludur. Dairesel polarizasyonu, tek bir hat ile oluşturmak zordur. Bu zorluk, besleme hattını anten yapısına asimetrik şekilde yerleştirip, her katmanda bulunan yamalardan birbirlerine çapraz iki köşelerden parçalar kesilerek aşılabilir. Sağ el polarizasyonu sağlamak içinse, kesik parçaların bulunduğu tarafa göre besleme hattı belli bir eksen üzerinde (x yada y ekseni) bulunmalıdır. Besleme hattı için seçilen eksene göre anten, sol el ya da sağ el polarizasyonlu olabilmektedir [5][8]. Anten geometrisi Şekil 2 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. Antenin beslemesi, tek koaksiyel hat kullanılarak üst yamadan yapılmıştır. Alt ve orta yamalar, koaksiyel besleme ile temas etmediğinden üst yamaya kuplajlanarak ışıma yapmaktadırlar. Şekil 2. (a) Yapılan tasarım üstten ve yandan görünümü (b) Elde edilen tasarım için CST MWS de oluşturulan yapı 2
Parametre Değer (mm) 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 1. Tasarım parametreleri Tasarım parametreleri, mm cinsinden Tablo 1 de verilen anten 7cm 7cm 0.53cm boyutlarındadır. Lp Lp boyutundaki alt yama, en düşük çalışma frekansı (L5, 1176.45 MHz); Mp Mp boyutundaki orta yama, orta çalışma frekansı (L2, 1227.6 MHz) ve Up Up boyutundaki üst yama en yüksek çalışma frekansı (L1, 1575.42 MHz) üzerinde etkilidir. Lp parametresi L5 frekansını, Mp parametresi L2 frekansını ve Up parametresi L1 frekansını kontrol etmektedirler. Bundan dolayı, Lp, Mp ve Up parametreleri tasarım için kullanılan en önemli parametrelerdir. Şekil 3. Alt yama kenar uzunluğu Lp nin, L5 çalışma frekansı üzerindeki etkisi 3
Şekil 4. Orta yama kenar uzunluğu Mp nin, L2 çalışma frekansı üzerindeki etkisi Sağ el dairesel polarizasyonu sağlamak amacıyla, besleme noktası x-ekseni üzerine yerleştirilmiş ve 3 yamanın da birbirine çapraz ikişer köşeleri, (-x, +y) ve (+x, -y) bölgelerinden ikizkenar üçgen şeklinde kesilmiştir. Bu kesiklerin kenar uzunluklarının, rezonans frekansları üzerinde önemli bir etkisi yoktur. Ancak bu kenar uzunlukları a, b, c antenin sağ el polarizasyon kazanç miktarını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu değerler, antenin sağ el dairesel polarizasyon kazancını yüksek yapacak şekilde belirlenmiştir. Şekil 5. Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu a nın rezonans frekansları üzerindeki etkisi Besleme noktasının bulunduğu eksen üzerindeki pozisyonunun, rezonans frekansı üzerinde etkisi bulunmamaktadır. Ancak rezonans frekanslarındaki geri dönüş kaybını etkileyen bu parametre, sağ el dairesel polarizasyon kazancını etkilemektedir. Dairesel polarizasyonun türü, yamaların köşelerindeki kesiklerin bulundukları yer itibariyle, besleme noktasının bulunduğu eksene göre değişmektedir. Bu nedenle, besleme noktası +x ekseni üzerinde hareket ettirilmiştir. 4
Şekil 6. (x,0) noktasında bulunan besleme hattının +x ekseni üzerindeki konumunun, rezonans frekansları üzerindeki etkisi Şekil 7. Besleme noktasının bulunduğu eksene göre dairesel polarizasyona etkisi Alt katman yükseklikleri rezonans frekansları ve geri dönüş kaybı değerleri üzerinde etkilidir. Alt katman yükseklikleri h1, h2 ve h3 parametreleri ile karakterize edilmiştir. h1, en yüksek rezonans frekansı (L1) üzerinde, h2 orta rezonans frekansı (L2) ve h3 te en düşük rezonans frekansı (L5) üzerinde etkilidir. Rezonans frekansları ve geri dönüş kayıpları üzerindeki etkileri göz önüne alınarak bu değerler h1=1mm, h2=2mm ve h3=2mm şeklinde belirlenmiştir. Şekil 8. L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışan GPS anteninin geri dönüş kaybı grafiği 5
Her üç çalışma frekansında da -20 db nin altında geri dönüş kaybına sahip olan antenin, 10 db bant genişlikleri L5 frekansı için 21 MHz, L2 frekansı için 27 MHz ve L1 frekansı için 32 MHz dir. Şekil 10 da antenin, 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri görülmektedir. L1 frekansı için sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin 5.6 dbi, L2 frekansı için sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin 5.07 dbi ve L5 frekansı için de sağ el polarizasyon kazanç değerinin 2.71 dbi olarak bulunmuştur. Şekil 9. (a) (b) (c) L1, L2 ve L5 frekansları için 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon grafikleri 6
3. SONUÇ GPS uygulamalarında kullanılabilecek, sağ el dairesel polarize (RHCP) dalgaları alabilen ve L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarının her üçünde de -20 db geri dönüş kaybı seviyesinin altında rezone olan üç katmanlı bir mikroşerit anten tasarımı yapılmıştır. Anten modelinin geometrik özellikleri, CST MWS yazılımı ile parametrize edilerek simülasyonu yapılmış ve sonuçlar yorumlanmıştır. GPS sinyalleri için bant aralıkları L1 frekansında 24 MHz, L2 frekansında 22 MHz, L5 frekansında 27 MHz dir. Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre, tasarlanan antenin L1 frekansında 32 MHz, L2 frekansında 27 MHz, L5 frekansında ise 21 MHz bant genişliğine sahip olduğu görülmüştür. GPS anten performansını gösteren, en önemli parametrelerden olan sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerleri L1,L2 ve L5 frekansları için sırasıyla 5.60 dbi, 5.07 dbi ve 2.71 dbi olarak bulunmuştur. Anten kazancı LNA devreleri ile de artırılabileceğinden; bu değerler, istenilen kazanç seviyesi olan 4 dbi a göre oldukça yeterlidir. Bu çalışmada Lp, Mp ve Up parametrelerinin sırasıyla L5, L2 ve L1 rezonans frekansları üzerinde etkili olduğu görülmüştür. Şekil 3 ve Şekil 4 te Lp ve Mp parametrelerinin düşük ve orta rezonans frekansları üzerindeki etkileri gösterilmiştir. Sağ el dairesel polarizasyonu sağlamak için besleme noktası, Şekil 7 de görüldüğü gibi yerleştirilmiştir. Ayrıca Şekil 6 da görüldüğü üzere; besleme noktasının bulunduğu eksendeki hareketi, rezonans frekansı üzerinde etkisizdir ancak bu parametre (probe_position) geri dönüş kaybı değerini ayarlamayı sağlayan en önemli parametredir. Bu parametreler, yapılan antenin farklı uygulama alanları için de kullanılabilmesini sağlayacak tasarım kılavuzları olarak sunulmuştur. KAYNAKLAR 1. Balanis, C.A. 2005. Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1097 s., New York. 2. Chen, S.C., Liu, G.C., Chen, X.Y., Lin, T.F., Liu, X.G. and Duan Z.Q. 2010. Compact Dual- Band GPS Microstrip Antenna Using Multilayer LTCC Substrate, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, 421-423. 3. Falade, O.P., Gao, Y., Chen, X. and Parini, C. 2013. Stacked-Patch Dual-Polarized Antenna for Triple-Band Handheld Terminals, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, 202-205. 4. Kahveci, M. ve Yıldız, F. 2012. GPS/GNSS Uydularla Konum Belirleme Sistemleri Teori- Uygulama, Nobel Yayıncılık, 225 s., Ankara. 5. Kumar, G. and Ray, K.P. 2003. Broadband Microstrip Antennas, Artech House, USA. 6. Peng, X.F., Zhong, S.S., Xu, S.Q. and Wu, Q. 2005. Microwave and Optical Technology Letters, vol. 44, no. 1, 58-61. 7. Su, C.M., Wong, K.L. 2002. A Dual-Band GPS Microstrip Antenna, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 33, no. 4, 238-240. 8. Wong, K.L. 2002. Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley & Sons, New York. 9. http://www.positim.com/galileo_gps_compass_frequency_allocation.jpg 7