ANKARA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ LİSANS TEZİ

Transkript

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
için, CST Microwave Studio programında anten yapıları
özellikler parametrize edilerek anten yapılarının
incelenmiştir. Bu yapılar birbirleriyle karşılaştırılarak
uygun görülen optimal yapı belirlenmiştir.
anten tasarımının optimizasyonu
modellenip, geometrik ve fiziksel
elektromanyetik simülasyonları
GPS anteni olarak kullanılması
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 (S11) 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 (S11) 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)
ZA
: Anten empedansı
RA
: Anten rezistansı (Reel)
Rr
: Işıma rezistansı
RL
: Ohmic kayıplar
XA
: Anten reaktansı (Sanal)
2.2.1. Alıcı Anten Eşdeğer Devresi
Şekil 2.2-1 Alıcı anten eşdeğer devresi [17]
Aldığı elektromanyetik dalgayı bağlandığı devreye VA gerilimi şeklinde aktaran alıcı anten,
karakteristik empedansı Z0 olan bir hat üzerinden bağlandığı devreyi temsil eden ZY yük
empedansı üzerinde enerji harcamaktadır.
(2.3)
Yükün gördüğü anten empedansı ise ZA’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 ZA’yı verir. Burada empedansı ZK olan kaynak, karakteristik empedansı Z0 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]
(
5
)
(2.5)
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)
fmax
: Maksimum frekans
fmin
: Minimum frekans,
f0
: 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,
Kort
: Ortalama ışıma yoğunluğu,
Pr
(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
: Alınan toplam ışıma gücü
Pr
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)
𝒆0
: Anten verimi
𝒆r
: Yansıma verimi (1-|Γ|2)
𝒆c
: İletim verimi
𝒆d
: 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

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
: L1 C/A, L2 P/Y
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
GPS
Polarizasyon Taşıyıcı Frekans
RHCP
GLONASS RHCP
GALILEO
RHCP
Fmin
Fmax
L1
1575.42
1563
1587
L2
1227.6
1215
1237
L5
1176.45
1164
1191
G1
1602
1593
1612
G2
1246
1238
1255
G3
1204.704 1198
1213
E1
1575.42
1559
1591
E6
1278.75
1260
1300
E5a 1176.45
1164
1191
E5b 1207.14
1195.14 1219.14
E5
COMPASS RHCP
Bant Genişliği
E1
1589.742 1587.69 1591.79
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
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
 Kolay üretilebilir,
 Kolay modellenebilir,
 Giriş empedansına kolay
uyumlanabilir.
 Dielektrik alt katmanın
kalınlığının
artması,
parazitik ışımayı artırır.
Bu da bant genişliğini
sınırlar.
Koaksiyel Hat
 Kolay üretilebilir,
 Giriş empedansına kolay
uyumlanabilir.
 Kalın
dielektrik
alt
katmanlar
için
zor
modelleme zorlukları.
(Aperture)
 Düşük parazitik ışıma.
 Üretim zorlukları,
 Düşük bant genişliği
Yakınlık (Proximity)
 Düşük parazitik ışıma,
 Yüksek bant genişliği
 Üretim zorlukları
Açıklık
Kuplajlı
Kuplajlı
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 (ZA ve ZY 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 εr 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 εr > >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 (εreff) 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 4.12(a)’daki gerçek hatla aynı elektriksel karakteristiğe sahip olur. Dielektrik alt katman ve
havayla birlikte bulunan bir mikroşerit hat için, etkin dielektrik sabiti 1 < εreff < εr arası
değerler alır. εr >>1 olan uygulamalarda, εreff değeri dielektrik alt katmanın gerçek
dielektrik sabiti olan εr’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:
[
23
]
(4.1)
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 εreff 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 (TM010) için, L=λ/2 )
(4.3)
Baskın mod (TM010) 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:
√
√
24
√
√
(4.5)
4.1.3. Tasarım
Elde edilen eşitlikler yardımıyla, dikdörtgen yamalı bir mikroşerit antenin pratik tasarımı
yapılabilir. Tasarım prosedürü, alt katmanın dielektrik sabiti (εr), rezonans frekansı (fr) 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:
√
II.
III.
√
√
(4.6)
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.
IV.
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. Teklemli 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
(L1/L2) 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 (S1/S2) alt katman parametrelerine bağlı olarak 1.011.10 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 (S11) 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 (TM01 yada TM10) için
dikdörtgen yamalı mikroşerit antenin rezonans frekansı Eş. 5.1’deki gibi verilir.
√
35
(5.1)
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 εr = 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
MHz’dir.
Şekil 5.1-5 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen
geri dönüş kaybı (S11) 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 εr = 28.2 ve yüksekliği h = 6mm olan seramik maddesi dielektrik alt
katman olarak kullanılmıştır. Eş. 5.1’e göre alt katman olarak εr = 28.2 olan bir madde
kullanıldığındaki yama boyutlarının, alt katman olarak εr = 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 εr = 28.2 olan seramik maddesinin kullanılması, anten
boyutlarını oldukça düşürmüştür.
Şekil 5.1-4’te, CST MWS programı kullanılarak benzetimi yapılan antenin, geri dönüş
MHz’dir
Şekil 5.1-4 Seramik alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri
dönüş kaybı (S11) 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 εr = 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 εr = 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
Lp
Mp
Up
a
b
c
h1
h2
h3
lower_hole_radius
middle_hole_radius
probe_position
probe_radius
ground
ground_hole_radius
Değer
58
56.5
45.2
4.7
4.9
4.1
1
2
2
1.8
1.4
10
0.65
70
2
ground_thickness
thickness
0.07
0.07
Tanım
Alt yama kenar uzunluğu
Orta yama kenar uzunluğu
Üst yama kenar uzunluğu
Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu
Orta yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu
Üst yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu
Üst substrate kalınlığı
Orta substrate kalınlığı
Alt substrate kalınlığı
Alt yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı
Orta yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı
Besleme noktası
Besleme hattı yarıçapı
Toprak levhası kenar uzunluğu
Toprak levhasında bulunan, besleme açıklığı
yarıçapı
Toprak levhası kalınlığı
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
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 5.3-2 Alt yama kenar uzunluğunun (Lp), L5 çalışma frekansı üzerindeki etkisi
Şekil 5.3-3 Orta yama kenar uzunluğunun (Mp), 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)
47
antenin sağ el polarizasyon kazanç miktarını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu değerler,
antenin sağ el dairesel polarizasyon kazancını yüksek yapacak şekilde belirlenmiştir.
Şekil 5.3-4 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu (a)’nn 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.
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
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 5.3-7 L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışan GPS anteninin geri dönüş kaybı grafiği
Her üç çalışma frekansında da -20 dB’nin altında geri dönüş kaybına sahip olan antenin, 10
dB bant genişliklerinin; L1 frekansı için 32 MHz, L2 frekansı için 27 MHz ve L5 frekansı
için de 21 MHz bant genişliğine sahip olduğu görülmüştür.
49
Şekil 5.3-8 L1, L2 ve L5 frekansları için 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon grafikleri
Şekil 5.3-8’de antenin, 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri
görülmektedir. L1 frekansı için sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin 5.6 dBi, L2
50
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.
Elde edilen sonuçlar, Bölüm 2.7.’de hedeflenen isterleri sağlamaktadır. CST MWS’da
simüle edilen bu anten, farklı uygulama alanları için de konfigüre edilerek
kullanılabilecektir. Sağ el polarizasyon, esas olarak aralarında 90° faz farkı bulunan iki
lineer polarizasyonun bir araya gelmesinden oluşmaktadır. Dolayısıyla antenin sağ el
polarizasyonlu dalgaları alabilecek şekilde tasarlanması, bu antenin dairesel polarizasyon
gerektirmeyen uygulamalarda da kullanılabilmesini sağlar.
51
6.
SONUÇLAR
Bu çalışmada, tek bantlı ve çift bantlı mikroşerit anten tasarımları yapıp buradan yola
çıkarak özgün bir üç bantlı mikroşerit anten tasarlamak ve yapılan anten modellerini CST
Microwave Studio programında simüle etmek amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda,
kapsamlı bir literatür taraması yaparak öncelikle tek frekansta sonrasında çift frekansta ve
son olarakta üç frekansta çalışan mikroşerit anten modelleri tasarlanmıştır. Bu anten
modelleri, sivil GPS frekansları olan L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışacak şekilde
ayarlanmıştır.
GPS L1 frekansında çalışan üç farklı dairesel polarizasyonlu anten konfigürasyonu
oluşturulmuştur. Bunlardan ilki E-şekilli mikroşerit anten, ikincisi tek yamalı mikrodalga
alt katmanlı mikroşerit anten ve üçüncüsü de tek yamalı seramik alt katmanlı mikroşerit
antendir. E-şekilli mikroşerit anten tasarımında, bu antenlerin sağladığı yüksek bant
genişliğinden yararlanarak; bant genişliği istenilen seviyede olacak şekilde daraltılmış ve
antenin 1550 MHz – 1605 MHz frekans aralıklarında çalışabilmesi sağlanmıştır. Çift
rezonans frekansına sahip bu antende, tasarımcının L1 frekansını koruyarak üst çalışma
frekansını ayarlamasını sağlayan parametreler, birer tasarım kılavuzu olarak sunulmuştur.
Tek yamalı mikrodalga ve seramik alt katmanlı mikroşerit anten tasarımlarında, alt katman
olarak farklı dielektrik sabitine sahip maddeler kullanmanın anten boyutlarına olan etkisi
incelenmiştir. Dairesel polarizasyon elde etmek için yamaları, çapraz iki köşelerinden
ikizkenar üçgen şeklinde kesilen bu antenlerin analizinden elde edilen sonuçlara göre;
seramik alt katmanlı (εr =28.2) modelin, Arlon AD300 mikrodalga alt katmanlı (εr =3)
modele göre daha küçük boyutlu olduğu ancak sağ el dairesel polarizasyon kazancının ise
daha düşük değerli olduğu görülmüştür.
Çift frekansta çalışan mikroşerit antenler oluşturmak için kullanılan, iki temel yöntemden
ilki olan tek yamalı tasarımlarda çalışma frekansları arasındaki oranın 1.5 ya da daha fazla
olması GPS L1 (1575.42 MHz) ve L2 (1227.6 MHz) frekanslarında çalışacak anten
yapımını zorlaştırmıştır. Bu nedenle GPS L1 ve L2 frekanslarında çalışan anten için,
52
antenin her iki GPS frekansını da kapsamasını sağlayan dairesel polarizasyonlu çift yamalı
tasarım model alınmıştır. Alt ve üst yama kenar uzunlukları, rezonans frekanslarını
ayarlamayı sağlayan bir tasarım parametresi olarak sunulmuştur. Yama boyutlarının
artmasının rezonans frekansını düşürdüğü, yama boyutlarının azalmasının ise rezonans
frekansını artırdığı görülmüştür. Ancak, alt yamanın sanki üst yamanın toprak levhasıymış
(ground plane) gibi davranması; yama uzunluklarını değiştirmenin, yamaların etkili
olmadıkları rezonans frekanslarındaki geri dönüş kaybını artırması gibi olumsuz sonuçlara
yol açabildiği görülmüştür.
Üç frekansta çalışan mikroşerit anten için, 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 tasarım yapılmıştır. Karesel yamaların kenar uzunlukları
olan Lp, Mp ve Up parametrelerinin sırasıyla L5, L2 ve L1 rezonans frekansları üzerinde
etkili olduğu ve ayrıca, alt katman yüksekliklerinin de geri dönüş kaybı değerleri üzerinde
etkili olduğu görülmüştür. 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. Böylece bant genişliklerinin,
oldukça yeterli 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 artırılabileceği gibi; bu değerler, istenilen kazanç seviyesi olan 4 dBi’a göre
oldukça yeterlidir. Bu özellikleri ile tasarım, modern GPS uygulamalarında kullanılabilecek
niteliğe sahiptir. Anten boyutlarının kullanılabilirliğini etkileyen önemli bir faktör de anten
boyutlarıdır. Bu tasarımda üretim maliyetlerini düşürmek amacıyla, ucuz ve sağlam bir
madde olması nedeniyle dielektrik katsayısı εr = 4.3 olan FR4 materyali kullanılmıştır ve
7cm x 7cm x 0.53cm olan anten boyutları yeterli görülmüştür. Anten boyutlarını daha da
küçültebilmek için dielektrik katsayısı daha yüksek alt katmanlar kullanmak gerekmekte
olduğu unutulmamalıdır.
53
KAYNAKÇA
1.
Akkaya, İ. 1996. Antenler ve Propagasyon, Sistem Yayıncılık, 297 s., İstanbul.
2.
Balanis, C.A. 2005. Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1097
s., New York.
3.
Bhattacharyya, A.K., Shafai, L and Gary, R. 1991. Microstrip Antenna – A
Generalized Transmission Line, Progress in Electromagnetic Research, vol. 4, 45-84.
4.
Carver, K. and Mink, J.W. 1981. Microstrip Antenna Technology, IEEE Transactions
on Antennas and Propagation, vol. 29, 2-24.
5.
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.
6.
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.
7.
Fang, D.G. 2010. Antenna Theory And Microstrip Antennas, CRC Press, USA.
8.
Garg, R., Bhartia P., Bahl I. and Ittipiboon, A. 2001. Microstrip Antenna Design
Handbook, Artech House, USA.
9.
Kahveci, M. ve Yıldız, F. 2012. GPS/GNSS Uydularla Konum Belirleme Sistemleri
Teori-Uygulama, Nobel Yayıncılık, 225 s., Ankara.
10.
Kumar, G. and Gupta, K.C. 1985. Directly coupled multiple resonator wide band
microstrip antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-33,
588-593.
11.
Kumar, G. and Ray, K.P. 2003. Broadband Microstrip Antennas, Artech House,
USA.
12.
Nasimuddin 2011. Microstrip Antennas, InTech, Croatia.
13.
Patel, S.S., Soni, H.B., Patel, S.K., and Kosta, Y.P. 2011. E-shaped Patch Antenna
Analysis for Multiple Applications, 2011 3rd International Conference on Electronics
Computer Technology (ICECT), vol. 5, 258-263.
14.
Peng, X.F., Zhong, S.S., Xu, S.Q. and Wu, Q. 2005. Microwave and Optical
Technology Letters, vol. 44, no. 1, 58-61.
54
15.
Pozar, D.M. 1992. Microstrip Antennas, Proceedings of the IEEE, vol. 80(1), 79-81.
16.
Pozar, D.M. 2005. Microwave Engineering, John Wiley & Sons, 691 s., USA.
17.
Sevgi, L. 2005. EMC ve Antenler: I – Tanımlar, Endüstriyel & Otomasyon, İstanbul.
18.
Su, C.M., Wong, K.L. 2002. A Dual-Band GPS Microstrip Antenna, Microwave and
Optical Technology Letters, vol. 33, no. 4, 238-240.
19.
Sullivan, P.L. and Schaubert, D.H. 1986. Analysis of An Aperture Coupled
Microstrip Antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 34, 977984.
20.
Virga, K.L. and Rahmat-Samii, Y. 1997. Low Profile Enhanced-Bandwidth PIFA
Antennas for Wireless Communications Packaging, IEEE Transactions on Antennas
and Propagation, vol. 45, 1879-1888.
21.
Wong, K.L. 2002. Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley &
Sons, New York.
22.
Yang, F., Zhang, X.X., Ye, X., and Rahmat-Samii Y. 2001. Wideband E-Shaped
Patch Antennas for Wireless Communications, IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, vol. 49, 1094-1100.
23.
Yau, D. and Shuley, N.V. 1998. Numerical Analysis of An Aperture Coupled
Microstrip Patch Antenna Using Mixed Potential Integral Equations and Complex
Images, Progress in Electromagnetic Research, vol. 18, 229-244.
24.
Zhang, X.-X. and Yang, F. 1998. The Study of Slit Cut on The Microstrip Antenna
and Its Applications, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 18, no. 4, 297300.
25.
http://www.gpsfahrzeugortung.de/GPS-Ortungstechnik-Ortungssystem.html
55

ANKARA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ LİSANS TEZİ

Transkript

Benzer belgeler

Çift Band Yama Anten Tasarımı

copy

1)Log-periyodik Anten Teorisi

AD-826 POLiPROPiLEN ETİKET

Ticari gemi ve Süper yatlar için en güçlü marin uydu TV anteni

135 - ursi.org.tr

Işıma Şiddeti (Radiation Intensity)

Ruckus Tanıtım