YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI

T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI Adı Soyadı 196134 Nesrin GÖKALP 210225 Münteha Şura YAVUZ Danışman Yrd. Dç. Dr. Haydar KAYA MAYIS 2012 TRABZON ii

T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI Adı Soyadı 196134 Nesrin GÖKALP 210225 Münteha Şura YAVUZ Danışman Yrd. Dç. Dr. Haydar KAYA MAYIS 2012 TRABZON 1

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU 196134 Nesrin GÖKALP ve 210225 Münteha Şura YAVUZ tarafından Yrd. Dç. Dr. Haydar KAYA yönetiminde hazırlanan Yönlü Kuplör Tasarımı başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Unvanı Adı ve SOYADI Jüri Üyesi 1 : Unvanı Adı ve SOYADI Jüri Üyesi 2 : Unvanı Adı ve SOYADI Bölüm Başkanı : Unvanı Adı ve SOYADI ii

ÖNSÖZ Hazırlamış olduğumuz bu çalışmada bizlere değerli zamanını ayıran, bizlere her türlü bilgi ve birikimini sunmaktan kaçınmayarak, çalışma süresince fikirleri ile bizi aydınlatan bitirme projesi danışmanı, değerli hocamız Yrd. Dç. Dr. Haydar KAYA ya sonsuz teşekkürlerimizi sunarız. Bölüm olanaklarının Bitirme Çalışmalarında kullanılmasına izin verdiği için Bölüm başkanlığına, desteklerinden dolayı Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve KTÜ Rektörlüğüne de teşekkürlerimizi sunarız. Aldığımız mühendislik eğitiminde, iyi bir mühendis olabilmemiz için değerli bilgilerini bizlerden esirgemeyen bütün bölüm hocalarımıza da teşekkürlerimizi sunar ve saygılarımızı iletiriz. Ayrıca projede birlikte çalıştığımız arkadaşlarımıza desteklerinden dolayı teşekkür ederiz. Son olarak bizlerin bugünlere gelmesinde her türlü fedakarlığı gösteren ve hayatımız boyunca her türlü maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen ailelerimize şükranlarımızı sunarız. Mayıs 2012 Nesrin GÖKALP Münteha Şura YAVUZ iii

İÇİNDEKİLER LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU... ii ÖNSÖZ... iii İÇİNDEKİLER... iv ÖZET... vi SEMBOLLER VE KISALTMALAR... vii 1. GİRİŞ... 1 1.1. Tasarlanan Yönlü Kuplörde Dikkat Edilecek Hususlar... 1 1.2. Yönlü Kuplör Uygulamaları... 1 1.3. İş zaman çizelgesi... 2 2. TEORİK ALTYAPI... 3 2.1. Yansıma Katsayısı ve Duran Dalga Oranı... 3 2.2. Yönlü Kuplör... 3 2.2.1. Yönlü Kuplör Parametreleri... 4 2.2.1.1. Kuplaj Faktörü... 4 2.2.1.2. Kayıp... 5 2.2.1.3. İzolasyon... 6 2.2.1.4. Yönelticilik... 6 2.3. S Parametreleri... 7 2.4. Mikroşerit İletim Hatları... 7 3. YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI... 9 3.1. Tasarımda Kullanılacak Formüller... 9 3.1.1. Adım 1: Tek-Çift Mod Empedansının Bulunması... 10 3.1.2. Adım 2: Fiziksel Boyutların (s/h ve w/h) Bulunması... 10 3.1.3. Adım 3: Yönlü Kuplörün Fiziksel Uzunluğunun Bulunması... 12 iv

4. YÖNLÜ KUPLÖR SİMÜLASYONU... 16 5. TASARIM ÖRNEKLERİ... 20 5.1. Birinci Tasarım... 20 5.2. İkinci Tasarım... 21 5.3. Üçüncü Tasarım... 22 6. SONUÇLAR... 24 7. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME... 29 KAYNAKLAR... 28 ÖZGEÇMİŞ... 28 v

ÖZET Bu çalışma kapsamında çalışma frekans aralığı 1400-2000 MHz olan dahili osilatör ile uyumlu yönlü kuplör tasarımına ait teorik ve deneysel sonuçlar yer almaktadır. Tasarımı yapılan yönlü kuplör, yansıma katsayısı ve duran dalga oranı ölçer cihazında kullanılmak amaçlı yapılmıştır. Teorik alt yapıda açıklandığı gibi bir yönlü kuplör, bir yönlü kuplörün tasarımına dair verilen kompleks formüller ile de tasarlanabilir. Bizim çalışmamızda açık kaynak kodlu bir program olan Qucs da istenen bazı veriler girilerek yönlü kuplör tasarımında kullanılan mikroşerit hattın fiziksel parametrelerine dair değerler kolaylıkla hesaplanabilir. Bu alınan değerler kullanılarak Eagle programı yardımı ile tasarım gerçeklenmiştir. Mikrodalga sistemlerinde olası empedans uyumsuzluklarından kaynaklanan güç kaybı istenmeyen bir durumdur. Bu durumu engellemenin bir yöntemi olarak yönlü kuplör kullanılabileceği gibi bir iletim hattı boyunca gelen ve yansıyan dalgaların güç hesabında da yönlü kuplörden yararlanılmaktadır. vi

SEMBOLLER VE KISALTMALAR Г S C[dB] L[dB] I [db] D[dB] S[X, Y] Zo F [Hz] Hz db Ω Yansıma Katsayısı Duran Dalga Oranı Kuplaj Faktörü Hat Kaybı Izolasyon Yönelticilik S-Parametreleri Karakteristik Empedans Malzemenin Efektif Geçirgenlik Katsayısı Çalışma Frekansı Hertz Desibel Ohm Sonsuz vii

1. GİRİŞ Mikrodalga sistemlerde kaynak ve yük arasındaki empedans uyumsuzlukları nedeniyle kaynaktan gönderilen dalganın bir kısmı geri yansıyabilir ve bu durum da hat üzerinde bir duran dalga paterni oluşturarak güç kaybına sebep olur. Mikrodalga sistemlerin tasarımında istenmeyen güç kaybını engellemek ve sistemin verimli çalışmasını sağlamak için oluşacak duran dalga paterninin olabildiğince önlenmesine dikkat edilmelidir. Bu çalışmada yansıma katsayısını ölçerek duran dalga oranını hesaplayan cihaz kapsamına dahil yönlü kuplör tasarımı yapılmıştır.yönlü kuplörler koaksiyel, mikroşerit hat ve iletim boruları ile gerçekleştirilebilir. Tasarlanmış yönlü kuplör ise mikroşerit iletim hattı ile gerçekleştirilmiştir. 1.1. Tasarlanan Yönlü Kuplörde Dikkat Edilecek Hususlar Yansıma katsayısı ve duran dalga oranı ölçer cihazının kapsamında kullanılacak çıkış gücü 7 dbm ve çalışma frekans aralığı 1400-2000 MHz olan dahili osilatör devre elemanı dikkate alınarak merkez frekansı 1700 MHz olarak tasarlanmıştır. Tasarlanmış yönlü kuplör AD8302 entegresi ile verimli çalışılabilecek simetrik mikroşerit iletim hattı ile gerçekleştirilmiştir. Hattın karekteristik empedansı standart 50 Ω olup tasarım amacına uygun olması için yük empedansı da 50 Ω olması sağlanmaya çalışılmıştır. 1.2. Yönlü Kuplör Uygulamaları Mikrodalga devrelerinin belli bir noktasındaki güç veya frekansın ölçülmesi Mikrodalga gücünün örneklenmesi (otomatik seviye ayarlama devrelerinde ) Duran dalga oranı, yansıma katsayısı, empedans ve geri dönüş kaybı ölçümünde Mikrodalga transistörlerinin s-parametrelerinin belirlenmesinde ve zayıflatıcı gibi çeşitli uygulamalarda yönlü kuplörlerden faydalanılmaktadır. [1] 1

1.3. İş zaman çizelgesi Aylar Bitirme çalışmasının durumu 1.AY ŞUBAT 2. AY MART 1)Bitirme çalışması konusu için bölüme başvuru yapılması ve malzeme tedariki istenmesi 2)Malzemelerin tedarik edilerek çalışma ortamının oluşturulması 1)İlk tasarımın simülasyonunun yapılması 2)Simülasyonu yapılan tasarımın gerçeklenmesi, baskı devresinin oluşturulması 3)İkinci tasarımın simülasyonunun yapılması 4)Simülasyonu yapılan tasarımın gerçeklenmesi, baskı devresinin oluşturulması 3.AY NİSAN 4. AY MAYIS 1)Üçüncü tasarımın simülasyonunun yapılması 2)Simülasyonu yapılan tasarımın gerçeklenerek baskı devresinin oluşturulması 3)Gerçeklenen tasarımların Specktrum Analyzer da ölçümlerinin yapılması ve karşılaştırılması 1)Karşılaştırılan ölçümlere göre uygun olan tasarımın belirlenmesi 2)Danışman hocamızla birlikte son düzenlemelerin yapılarak bitirmenin yazımına başlanması 3)Bitirme kitapçığının ve posterlerin oluşturulması 2

2. TEORİK ALTYAPI 2.1. Yansıma Katsayısı ve Duran Dalga Oranı Bir elektronik devrenin karakteristik empedansı ile bu devrenin beslediği yükün birbirine eşit olmaması durumunda empedans uyumsuzluğu meydana gelir ve bunun bir sonucu olarak enerjinin bir bölümü yükten geri yansır. Hat üzerinde herhangi bir noktadaki yansıyan gerilimin, gelen gerilime oranı yansıma katsayısı olarak tanımlanır ve Г ile gösterilir. Yansıma katsayısı karmaşık bir büyüklüktür. (1), (2) Duran dalga oranı ise, hat üzerindeki gerilimin maksimum değerinin minimum değerine oranı olarak tanımlanır. Gerçel bir büyüklüktür. (3) (4) Duran dalga oranının yansıma katsayısına bağlı ifadesi;, 1 S (5) [1] 2.2. Yönlü Kuplör Yönlü kuplörler, bir hat üzerinde gelen ve yansıyan dalgaların ayrı ayrı ölçümünü sağlayabilen ve genelde, ana kol ve yardımcı kol olmak üzere iki iletim hattından oluşanelemanlardır. Bu iki iletim hattı, biri üzerinden geçen enerji diğerini kuple edecek 3

kadar yeterince birbirlerine yakındırlar. Ana kol ile yardımcı kol birbirine elektromagnetik olarak kuplajlıdır. Yönlü kuplörlerin önemli bir özelliği, sadece tek bir yönde akan gücü kuple eder. Çıkış portundaki güç kuple edilemez. Yönlü kuplörler için en sık kullanılan semboller Şekil 1'de gösterilmiştir. Yönlü kuplörlerin dört adet bağlantı noktası vardır. Port 1 gücün uygulandığı giriş portudur. Port 3, port 1 e uygulanan gücün bir kısmının göründüğü kuplaj portudur. Port 2, port 1 den gücün dışarıya verildiği iletilen portudur. Kuplörler genelde simetriktir bu yüzden izolasyon portu olan port 4 mevcuttur. Port 2 ye uygulanan gücün bir kısmı port 4 e birleştirilebilir. Port 4, normalde kullanılan genellikle eşleşen bir yük (genellikle 50 Ω) ile sonlandırılır. Şekil 1. Yönlü kuplör gösterimi [2] Tüm yönlü kuplörler için istenen ortak özellikler; geniş bir operasyonel bant genişliği, yüksek yönelticilik, diğer portlarla uyumlu yüklerle sonlandırıldığında tüm portların empedans uyumluluğunun sağlanmasıdır. 2.2.1. Yönlü Kuplör Parametreleri 2.2.1.1. Kuplaj Faktörü Kuplaj faktörü ifadesi: P1: port 1 deki giriş gücü 4

P3: kuplaj portundaki çıkış gücü Kuplaj faktörü yönlü bir kuplörün birincil özelliğini temsil eder. Kuplaj faktörü negatif bir büyüklüktür; pasif bir cihaz için 0 db i geçmemelidir ve pratikte kuplaj portu, çıkış gücü iletim portunun gücünden daha fazla olduğu için -3 db i geçmemelidir. Kuplaj faktörü sabit değildir, frekans ile değişir. 2.2.1.2. Kayıp Ideal yönlü kuplörde, port 1 den port 2 ye ana hat kaybı (P1-P2) çıkış portuna verilen kuple edilmiş güçten kaynaklanır: Gerçek yönlü kuplör kaybı; kuplaj kaybı, dielektrik kaybı, iletim kaybı ve VSWR kaybının bir kombinasyonudur. Frekans aralığına bağlı olarak, toplam kaybın temelini oluşturan diğer kayıpların olduğu 15 db kuplajın üstünde kuplaj kaybı daha az olmaktadır. Bir kuplör için teorikte araya girme kaybı ile kuplaj arasındaki ilişki grafik 1 de gösterilmektedir. Grafik 1. Kuplaj faktörü ve araya girme kaybı arasındaki ilişki [2] 5

2.2.1.3. İzolasyon Bir yönlü kuplörün izolasyonu, diğer iki port uyumlu yükler tarafından sonlandırıldığında, giriş portu ve izolasyon portunun db sinyal seviyeleri arasındaki fark olarak tanımlanır. İzolasyon da iki çıkış portu arasında tanımlanabilir. Bu durumda, çıkış portları bir girdi olarak kullanılır; uyumlu yükler ile diğer iki port (giriş ve izole) sonlandırılırken iletim portu çıkış portu olarak kabul edilir. Giriş ve izolasyon portları arasındaki izolasyon iki çıkış portları arasındaki izolasyondan farklı olabilir. Örneğin port 2 ve port 3 arasındaki izolasyon 25 db gibi farklı bir değer olabilir, portların 1 ve 4 arasında izolasyonu 30 db olabilir. Izolasyon mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. Gerçek kuplörlerde izolasyon portları tamamen izole değildir. Bazı RF gücü her zaman mevcut olacaktır. Yönlü kuplör dalga kılavuzları en iyi izolasyonu sağlar. 2.2.1.4. Yönelticilik Yönelticilik doğrudan izolasyon ile ilgilidir. P3: kuplaj portundaki çıkış gücü P4: izolasyon portundaki çıkış gücü 6

Yönelticilik mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. Yönelticilik, tasarım frekansı çok yüksek olduğu ve bu iki dalga bileşenlerinin iptal olmasından dolayı daha hassas bir frekans fonksiyonudur. Yönlü kuplör dalga kılavuzu en iyi yönelticiliktedir. Yönelticilik doğrudan ölçülebilir değildir, izolasyon ve kuplaj ölçümleri arasındaki farktan hesaplanır: [2] 2.3. S Parametreleri S (saçılım) parametreleri doğrudan gelen, yansıyan ve iletilen gerilim dalgaları ile ilişkilidir. S parametrelerinin bilinmesi durumunda bir mikrodalga elemanın / hattın kapıları arasındaki ilişki anlaşılmış olur. S parametreleri bir Vektör Network Analizörü ile doğrudan ölçülebilir. Bir yönlü kuplörün 1 kapısı giriş, 2 kapısı iletilen, 3 kapısı yalıtım, 4 kapısı kuplaj kapısı olmak üzere S parametreleri; S[1,1]: yansıma S[1,2]: iletilen S[1,3]: yalıtılan S[1,4]: kuplajlanan güç bilgilerini verir. [1] 2.4. Mikroşerit İletim Hatları Mikroşerit hat, iletken bir şerit, dielektrik bir taban malzeme ve iletken bir toprak levhasından oluşan bir iletim hattıdır (şekil 2). 7

Şekil 2. Mikroşerit Hat Mikroşerit hatların karakteristik empedansı ve hatta yayılan işaretin dalga boyu, şeridin w genişliği ve taban malzemenin h yüksekliğine bağlı olarak hesaplanır. [3] Projemizdeki yönlü kuplör tasarımına dair kullanılacak mikroşerit hattın fiziksel büyüklüklerine ilişkin hesaplamalar ilerleyen kısımda verilecektir. 8

3. YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI Mikroşerit yönlü kuplörler genellikle mikrodalga sistemlerinde yüksek doğrulukla yansıyan ve iletilen güçlerin ölçümü için kullanılırlar. İstenen çalışma frekansında, simetrik iki hatlı bir mikroşerit yönlü kuplörün fiziksel uzunluğuna dair hesaplamalar ileride üç adımda tanımlanmıştır. Şekil 3 te hesaplanacak fiziksel parametrelerin mikroşerit iletim hattında nereyi ifade ettiği gösterilmektedir. Tasarımda; sonlandırılmış port empedansı, kuplaj seviyesi ve çalışma frekansı gereklidir. Bu tasarım mikrodalga uygulamalarında genellikle şu beş malzeme ile gerçekleştirilebilir: alüminyum, teflon, RO4003, FR4 ve RF-60. Kuplaj faktörü yönlü kuplörün fiziksel boyutuyla ilişkilidir. Tasarım aynı zamanda verilen kuplaj faktörü için yönlü kuplörün fiziksel uzunluğunun frekansla ilişkili olduğunu da gösterir. Şekil 3. İki hatlı mikroşerit yönlü kuplör 3.1. Tasarımda Kullanılacak Formüller Tasarımın başında genellikle yönlü kuplörün fiziksel parametreleri bilinmez. İlk olarak ulaşılan bilgi; sonlandırılmış hattın empedansı, kuplaj faktörü ve çalışma frekansıdır. Pratikte çoğu uygulamada, yönlü kuplörün her bir portunun sonlandırılan empedansının 50 Ω olması tercih edilir. Karakteristik empedans Zo port empedansına eşit olduğunda, eşleştirilmiş sistem tamamlanmış olur. 9

Tasarımda kuplaj faktörü ve karakteristik empedansın bilinmesi gerekir, bilinmemesi durumunda genellikle kullanılan standart değerler tercih edilir. Bu kabaca yapılan bir hesaplamadır. Kuplaj hattı için yönlü kuplörün fiziksel uzunluğu l, malzemenin efektif geçirgenlik katsayısı na bağlıdır. Bu katsayı malzemenin kapasitesinin bilinmesiyle bulunabilir. Kuplaj seviyesi ve çalışma frekansı gibi bilinen parametrelere dayalı olarak kuplaj tasarımı şu üç adımdaki hesaplamalar ile oluşturulur. 3.1.1. Adım 1: Tek-Çift Mod Empedansının Bulunması Mikroşerit hatlı kuplörün tek ve çift mod değerlerinin hesaplanmasına dair formüller (13) ve (14) te verilmiştir: Zoe: çift mod empedans Zoo: tek mod empedans C[dB]: ileri kuplaj katsayısı 3.1.2. Adım 2: Fiziksel Boyutların (s/h ve w/h) Bulunması Yönlü kuplörün fiziksel boyutlarına dair mesafe oranı hesabı (15) bağıntısıyla yapılabilir: 10

(15) bağıntısında verilen ifade de, :mikroşerit hatlar arası mesafe oranıdır. ve : çift-tek moda karşılık gelen iletim hattı genişlik oranları (16) bağıntısında verilen bağıntı ile tek bir mikroşerit hattın genişliğinin hesabı yapılabilir. genişlik oranı için modifiye terimi (16) de verilen bağıntıdan çok daha farklı hesaplanır, bu hesaplamalar detaylı olarak (16) bağıntısıyla verilmiştir. ve için mikroşerit hat genişlik oranı: : Tek mikroşerit hat için genişlik oranı Mikroşerit hatlı kuplörde tek ve çift mod için genişlik oranlarına karşılık gelen tek ve çift mod karakteristik empedanslarının hesaplamalarına ilişkin bağıntılar aşağıda veirlmiştir: 11

ve :Tek mikroşerit hattın genişlik oranına karşılık gelen karakteristik empedanslar ve : Tek mikroşerit hattın genişlik oranı genişlik oranı için modifiye terimi (21) bağıntısı ile hesaplanabilir: : iletim hattı genişlik oranı için modifiye terimi (16) bağıntısı kullanıldığında, simetrik iki hatlı mikroşerit yönlü kuplörün s/h mesafe oranına dair kesin sonuçlar (15) bağıntısı ile hesaplanabilir. Kuplaj hattı için s/h oranı bulunduktan sonra, (22) bağıntısı ile kuplaj hattı için w/h oranı basitçe bulunabilir: 3.1.3. Adım 3: Yönlü Kuplörün Fiziksel Uzunluğunun Bulunması Yönlü kuplörün fiziksel uzunluğu (25) bağıntısı kullanarak hesaplanır: 12

l : Yönlü kuplörün fiziksel uzunluğu f [Hz]:çalışma frekansı :Efektif geçirgenlik sabiti Efektif geçirgenlik sabiti aşağıdaki gibi hesaplanır: εefe ve εefo :Çift-tek mod efektif geçirgenlik sabitleri εefe ve εefo sabitlerinin değerleri tek çift mod kapasitelerine bağlıdır. Bu sabitlerin kapasitelere bağlı hesaplamaları (26a) ve (26b) bağıntılarıyla verilmiştir. Ce ve C : Çift-tek mod kapasiteleri Ce1, Co1: Aralarındaki dielektrik maddesi hava olan iki paralel levhanın kapasitesi Çift mod kapasite hesabı: Çift mod kapasitesi C e (27) bağıntısı ile verilmiştir: Paralel levhalı kondansatörün kapasitesi ve tek bir şerit hatta dair saçaklanma kapasitesi aşağıda hesaplanmıştır: 13

(30) bağıntısında verilen için tek mikroşerit hattın efektif gaçirgenlik sabiti ( ) aşağıdaki gibi tanımlanır: Daha önce (27) bağıntısında geçen ifadesi aşağıda belirtilmiştir. Tek mod kapasite hesabı: Tek mod kapasitesi C o (34) bağıntısı ile verilmiştir: 14

(36) bağıntısında verilen için hava aralığındaki saçaklanmadan kaynaklanan tek moda dair kapasite terimi (35) bağıntısı ile ifade edilebilir: Dielektrik bölgedeki saçaklanmadan kaynaklanan tek moda dair kapasite terimi (39) bağıntısı ile ifade edilebilir: [4] 15

4. YÖNLÜ KUPLÖR SİMÜLASYONU Yönlü kuplör simülasyonu için açık kaynak kodlu bir program olan Qucs yazılımı kullanılmıştır. Qucs programı ile istenen kuplaj değerine sahip bir mikroşerit hat çifti tasarlanmıştır. Daha sonra tasarımın S parametreleri analizi yapılarak, 1400-2000 MHz aralığında çizdirildi. Kullanılan malzeme FR4 Epoxy Glass olarak belirlendi. Malzemenin dielektrik sabiti Er= 4.8, bord kalınlığı H= 1.6 mm, bakır kalınlığı T= 0.0356 mm alınmıştır. 20 db kuplaj değeri için çift mikroşerit hatta dair tek ve çift mod empedans hesabı; Tek mikroşerit hat için; 16

Hesaplanan bu değerler, malzeme parametreleri ve tasarım frekansı Qucs programının mikroşerit hat hesaplama aracına girilerek, mikroşerit hat uzunlukları hesaplanır. Ekran görüntüsü Şekil 4 ve Şekil 5 te bu işlem ve sonuçlar görülmektedir. Şekil 4. Qucs programının iletim hattı hesap arayüzü (tek mikroşerit hat hesabı) 17

Şekil 5. Qucs programının iletim hattı hesap arayüzü (çift mikroşerit hat hesabı) Hesaplanan bu değerler, malzeme parametreleri ve tasarım frekansı Qucs programının mikroşerit hat hesaplama aracına girilerek, mikroşerit hat uzunlukları hesaplanır. Aşağıdaki ekran görüntüsünde bu işlem ve sonuçlar görülmektedir. Burada program çıktıları W,S ve L parametreleridir. W mikroşerit hatların genişliği, S hatlar arasındaki mesafe, L hat uzunluğudur. Program çıktıları ve tasarımın yapıldığı malzeme parametreleri kullanılarak aşağıda verilen şekil 6 daki gibi devre şeması kuruldu. 18

Şekil 6. Yönlü kuplör simülasyonu için Qucs programında oluşturulan devre şeması Çizimde görüldüğü gibi yönlü kuplörün her bir kapısına birer kaynak bağlanmıştır. Malzeme parametrelerini belirlemek için tasarıma bir de malzeme bloğu (Subst1) eklenmiştir. Simülasyon tipi olarak S parametresi simülasyonu ve frekans aralığı olarak 1.4-2 GHz seçilmiştir. 19

5. TASARIM ÖRNEKLERİ Yapılan üç tasarımda da 20 db kuplaj değeri için tek ve çift mod empedans hesabı yapılmıştır. Bir önceki bölümde hesaplanan bu değerler, malzeme parametreleri ve tasarım frekansı Qucs programının mikroşerit hat hesaplama aracına girilerek, mikroşerit hat uzunluklarına dair sonuçlar dikkate alınmıştır. Her üç tasarım için eagle programı kullanılarak board çizimi manuel olarak yapılmıştır. 5.1. Birinci Tasarım İlk tasarımda, yönlü kuplör AD8302 entegresinin datasheetinde verilen model örnek alınarak tasarlanmıştır. Tasarımda iki yönlü kuplör uc uca bağlanarak simetrik olmasına dikkat edildi. Hattın fiziksel parametrelerine dair hesaplamalar tek mikroşerit hat ve çift mikroşerit hat için bir önceki bölümde ayrı ayrı verilmiştir. Hat uzunluğu dalga boyu için hesaplanmıştır ve hattın karekteristik empedansı 50 Ω olarak kabul edilmiştir. Merkez frekansı 1.7 GHz de kuplaj faktörü 20 db olacak şekilde ayarlanmıştır. Kuplör giriş, kuplaj, izolasyon ve çıkış kapıları olmak üzere 4 kapıdan oluşmaktadır. Kuplaj ve izolasyon kapılarının diğer uçları direnç standart değerlerinden 47 Ω luk bir direnç ile sonlandırılmıştır. Tasarıma dair çizim şekil 7 de ve gerçeklenen ilk tasarımın baskı devresi Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 7. Birinci tasarıma dair eagle programında elde edilen board çizimi 20

Şekil 8. Gerçeklenen ilk tasarımın baskı devresi 5.2. İkinci Tasarım İkinci tasarımda, yönlü kuplör üç paralel hat modeli örnek alınarak tasarlanmıştır. Tasarımda birbiri ile kuplajlanmış çift mikroşerit hat hesabı yapılarak ana hatta paralel ve simetrik üçüncü bir hat mevcuttur. Hattın fiziksel parametrelerine dair hesaplamalar tek mikroşerit hat ve çift mikroşerit hat için bir önceki bölümde ayrı ayrı verilmiştir. Hat uzunluğu dalga boyu için hesaplanmıştır ve hattın karekteristik empedansı 50 Ω olarak kabul edilmiştir. Merkez frekansı 1.7 GHz de kuplaj faktörü 20 db olacak şekilde ayarlanmıştır. Kuplör giriş, kuplaj, izolasyon ve çıkış kapıları olmak üzere 4 kapıdan oluşmaktadır. Kuplaj ve izolasyon kapılarının diğer uçları direnç standart değerlerinden 47 Ω luk bir direnç ile sonlandırılmıştır. Tasarıma dair çizim şekil 9 da ve gerçeklenen ikinci tasarımın baskı devresi Şekil 10 da verilmiştir. 21

Şekil 9. İkinci tasarıma dair eagle programında elde edilen board çizimi Şekil 10. Gerçeklenen ikinci tasarımın baskı devresi 5.3. Üçüncü Tasarım Üçüncü tasarımda, yönlü kuplör iki paralel hat modeli örnek alınarak tasarlanmıştır. Tasarımda birbiri ile kuplajlanmış çift mikroşerit hat hesabı yapılmıştır. Hattın fiziksel parametrelerine dair hesaplamalar tek mikroşerit hat ve çift mikroşerit hat için bir önceki bölümde ayrı ayrı verilmiştir. Hat uzunluğu dalga boyu için hesaplanmıştır ve hattın karekteristik empedansı 50 Ω olarak kabul edilmiştir. Merkez frekansı 1.7 GHz de kuplaj faktörü 20 db olacak şekilde ayarlanmıştır. Kuplör giriş, kuplaj, izolasyon ve çıkış kapıları olmak üzere 4 kapıdan oluşmaktadır. Kuplaj ve izolasyon kapılarının diğer uçları direnç standart değerlerinden 47 Ω luk bir direnç ile sonlandırılmıştır. Tasarım kesitleri şekil 11 22

de ayrıntılı bir şekilde verilmiştir. Tasarıma dair çizim şekil 12 de ve gerçeklenen üçüncü tasarımın baskı devresi Şekil 13 te verilmiştir. Şekil 11. Tasarım kesitleri [7] Şekil 12. Üçüncü tasarıma dair eagle programında elde edilen board çizimi Şekil 13. Gerçeklenen ikinci tasarımın baskı devresi 23

6. SONUÇLAR İlk tasarımda spektrum analizöründen 1.7 GHz de 5 dbm lik işaret izolasyon ve çıkış kapıları uygun yükle sonlandırılarak giriş kapısından verildi. Kuplaj kapısından alınan işaret 24 db olarak kaydedildi. Daha sonra aynı işaret bu kez kuplaj ve çıkış kapıları uygun yükle sonlandırılarak izolasyon kapısından yapılan ölçüm sonucunda 22 db olarak kaydedildi. Bu kapıdan işaretin çok fazla zayıflatılmış olması beklenmesine rağmen işaretin bu kapıdan da kuple edildiği anlaşıldı. Deney sonucunda network analizöründen alınan s-parametrelerine dair değerlerin frekansla değişimi grafik 2 ve grafik 3 de verilmiştir. Grafik 2. Birinci Tasarım için ileri yön s parametreleri Grafik 3. Birinci Tasarım için ters yön s parametreleri 24

İkinci tasarımda spektrum analizöründen verilen aynı işaret ile kuplaj kapısından 23.6 db ve izolasyon kapısından 27 db olarak ölçüm alındı. Bu denemede tasarım modeli üç paralel hat ile yapılarak birinci tasarıma göre iyileştirme yapıldığı kaydedildi. Deney sonucunda network analizöründen alınan s-parametrelerine dair değerlerin frekansla değişimi grafik 4 ve grafik 5 de verilmiştir. Grafik 4. İkinci tasarım için ileri yön S parametreleri Grafik 5. İkinci tasarım için ters yön S parametreleri Üçüncü tasarımda spektrum analizöründen verilen aynı işaret ile kuplaj kapısından yaklaşık 22 db ve izolasyon kapısında ise yaklaşık 30 db olarak ölçüm alındı. Deney sonucunda network analizöründen alınan s-parametrelerine dair değerlerin frekansla değişimi grafik 6 ve grafik 7 de verilmiştir. 25

Grafik 6. Üçüncü tasarım için ileri yön s parametreleri Grafik 7. Üçüncü tasarım için ters yön s parametrleri 26

7. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME Önemli bilimsel ve teknolojik gelişmelere yer veren mikrodalgaların, daha çok haberleşme alanında ilerlemeleri bilinmektedir. Bununla birlikte RF dalgalarının özel bazı mikroşerit filtrelerde olduğu gibi endüstriyel alanda kullanıldığı mevcuttur. Bu anlamda mikrodalga sistemlerde gelen ve yansıyan dalgalara dair bilgi veren yönlü kuplör elemanı, iletim hattı boyunca belli bir noktadaki güç ve frekans ölçümlerinde kullanılmaktadır. Ayrıca duran dalga oranı, yansıma katsayısı, empedans ve geri dönüş kaybı gibi uygulamalarda da yönlü kuplörlerden faydanılmaktadır. Çalışmamızda çalışma frekans aralığı 1400-2000 MHz olan dahili osilatörden işaret alınan yönlü kuplör tasarlanmış, devre gerçeklemeleri yapıldıktan sonra alınan ölçüm sonuçları analiz edilmiştir, simülasyon sonuçları incelenmiştir. Alınan sonuçlardan simetrik bir yönlü kuplörün 1.7 MHz tasarım frekansında kuplaj faktörü, hedaflenen 20 db değeri için yaklaşık olarak gerçeklenmiştir. İzolasyon kapısından neredeyse kuplajlanan hedef işaretine yakın bir işaret alınması çalışmanın farklı tasarımlarla gerçeklenmesini gerektirmektedir. Üçüncü tasarımla kuplaj ve izolasyon kapıları arasındaki fark yaklaşık 9 db ölçülerek iyileştirilmenin yapıldığı kaydedilmiştir. Yapılan çalışmalar doğrultusunda, laboratuvar imkan ve olanaklarından faydalanılarak, orta seviyeli bir bütçe ile mikrodalga laboratuarlarında kullanılabilecek Yansıma Katsayısı ve Duran Dalga Oranı Ölçer yapılabileceği ve bu cihaz kapsamında, tasarımı yapılan Yönlü Kuplör ün kullanılabileceği görüldü ve tasarım gerçekleştirildi. 27

KAYNAKLAR [1]. D. K. Cheng, Mühendislik Elektromanyetiğinin Temelleri, Palme Yayıncılık, 2006. [2]. Thomas Koryu Ishii, Handbook of Microwave Technology: Components and devices, Academic Press, 1995. [3]. Rajesh Mangia, RF and Microwave Coupled-Line Circuits, Artech House, 1999. [4]. A. Eroğlu ve J. K. Lee, Complete Design Of Microstrip Directional Couplers Using Synthesis Technique, IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement, no. 57, 2008. ÖZGEÇMİŞ 28

ÖZGEÇMİŞ Nesrin GÖKALP, 07/09/1989 tarihinde Erzincan ilinin Çayırlı ilçesinde doğdu. İlköğretim ilk iki sınıfını 9 Ocak İlköğretim Okulu nda tamamladı.ilkokul 3. Sınıftan itibaren ilköğretimi 29 Ekim İlköğretim Okulu nda, liseyi Erzincan Anadolu Lisesi nde okudu. 2007 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde lisans eğitimine başladı. 3. Sınıfta bölümlerin ayrılması ile seçimini Elektronik ve Haberleşme dalı olarak yaptı. Şu anda 4. Sınıf öğrencisi olarak öğrenimine devam etmektedir. Münteha Şura YAVUZ, 01/06/1988 tarihinde Konya ilinin Meram ilçesinde doğdu. İlköğretimi Şükrü Doruk İlköğretim Okulu nda, liseyi Konya Lisesi nde okudu. 2008 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde lisans eğitimine başladı. Muafiyet sınavına girerek, üniversite yabancı dil hazırlık sınıfından muaf oldu. 3. Sınıfta bölümlerin ayrılması ile seçimini Elektronik ve Haberleşme dalı olarak yaptı. Şu anda 4. Sınıf öğrencisi olarak öğrenimine devam etmektedir 29