GNSS sistemleri için küçük boyutlu yama anteni ve kompakt anten dizisi tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında, GNSS (Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri) uygulamalarında kullanılmak üzere sağ el dairesel kutuplaşmalı (RHCP), kompakt boyutlu, tek katmanlı ve düşük profilli bir yama anten tasarlanmıştır. Bu anten temel alınarak dört elemanlı sıralı döndürülmüş (sequentially rotated) bir GNSS anten dizisi geliştirilmiş ve benzetim ortamında analiz edilmiştir. GNSS sistemleri, konum, hız ve zaman bilgilerini dünya genelindeki kullanıcılara sağlaması nedeniyle hava, kara ve deniz ulaşımı, askeri ve sivil sistemler, otonom araçlar, taşınabilir elektronik cihazlar ve haberleşme gibi birçok kritik alanda kullanılmaktadır. GPS, GLONASS, Galileo ve BeiDou gibi küresel uydu sistemleri tarafından gönderilen sinyaller L bandı içerisinde yer almakta olup, özellikle GPS L1, Galileo E1, BeiDou B1C (1575.42 MHz) ve GLONASS G1 (1602 MHz) frekansları sivil kullanıcılar arasında yaygın olarak tercih edilmektedir. GNSS sinyalleri, yeryüzüne ulaştıklarında oldukça zayıf güç seviyelerine (yaklaşık -130 dBm) sahiptir ve bu nedenle elektromanyetik parazitlere karşı oldukça hassastır. Bu durum, alıcı antenlerin yüksek kazançlı, çok yollu yayılıma ve parazite karşı dirençli şekilde tasarlanmasını gerekli kılmaktadır. Ayrıca İHA ve otonom platformlar gibi boyut ve ağırlık kısıtlamaları olan sistemlerde, antenlerin düşük profilli, hafif ve küçük hacimli olması büyük önem taşımaktadır. Tez kapsamında ilk olarak Rogers TMM10 (epsilon_r = 9.8) ve RO3010 (epsilon_r = 11.2) yüksek dielektrik sabitine sahip iki farklı substrat kullanılarak, 1.27 mm ve 2.5 mm olarak iki farklı kalınlıkta toplamda dört farklı birim yama anten tasarımı yapılmıştır. Anten geometrisinde RHCP performansını artırmak ve empedans uyumunu iyileştirmek amacıyla köşe kesitleri, ilave çentikler ve yama kenarlarına yerleştirilen dikdörtgen yarıklar entegre edilmiştir. Simülasyonlar CST Microwave Studio ortamında gerçekleştirilmiş, antenlerin geri dönüş kaybı (S11), yönlülük, kazanç ve eksenel oran (AR) gibi temel RF parametreleri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, 2.5 mm kalınlıklı yapıların, 1.27 mm kalınlıklı yapılara göre daha geniş bant, daha yüksek kazanç sağladığını göstermektedir. Buna rağmen, daha ince olan 1.27 mm kalınlıklı yapıların ise GNSS L1 bandı için yeterli performans sunduğunu ortaya koymaktadır. Tezin ikinci aşamasında, 2.5 mm kalınlıklı TMM10 tabanlı birim anten ve 1.27 mm kalınlıklı RO3010 tabanlı birim antenler yapıtaşı olarak seçilmiş ve dört elemanlı anten dizileri tasarlanmıştır. Oluşturulan anten dizileri için anten elemanları arası mesafenin dizi antenin çalışma performansına etkisi araştırılmış ve farklı uzaklıklar denenerek optimum mesafe belirlenmiştir. Her bir birim eleman 55 mm ötelenmiş ve saat yönünde 90 derece döndürülmesiyle oluşturulmuş, sıralı döndürülmüş (sequentially rotated) bir geometriye sahiptir. Dizi antenin performansı, aktif geri yansıma katsayısı (active reflection coefficient) üzerinden değerlendirilmiştir. Bu parametre, yalnızca klasik S-parametrelerinin sunduğu empedans uyumu bilgisinin ötesinde, portlar arası faz ilişkilerini ve kuplaj etkisini de dikkate almaktadır. Benzetim programı ortamında uygulanan bu yöntem, anten dizisinin bir 1:4 güç bölücü üzerinden eşzamanlı beslendiği bir senaryoyu taklit ederek gerçekçi bir simülasyon sunmaktadır. GNSS sistemleri, zayıf sinyal seviyelerinde çalıştığından dolayı kasıtlı parazit (jamming) ve şehir içi binalardan, araçlardan, atmosferik koşullardan yansıyan kasıtsız enterferans sinyallerine oldukça savunmasızdır. Bu nedenle GNSS sinyalinden konum bilgisi oluştururken aynı zamanda enterferansa, karıştırma sinyallerine dayanıklı sistemler olarak bilinen CRPA (Controlled Reception Pattern Antenna) uygulamaları günümüzde oldukça yaygınlaşmaktadır. CRPA sistemlerinde kullanılması için tasarlanan anten dizilerinin, dijital hüzme yönlendirme (digital beamforming) algoritmaları ile entegre edilerek tehditlere karşı dirençli çözümler sunmaktadır. Bu çalışmada sunulan anten yapısı, bu tür sistemlerde kullanılabilecek küçük boyutlu, RHCP karakteristiğine sahip ve dijital hüzme yönlendirme algoritmalarında kullanılabilir uygun bir yapı sunmayı amaçlamıştır. Dizi tasarımında, kuplaj etkisinin minimum seviyede tutulması hedeflenirken aynı zamanda boyutsal kompaktlık da korunmuştur. Elemanlar arası mesafe, kuplaj etkisini artırmayacak şekilde yeterince uzak tutulmuş, fakat sistemin toplam boyutunun artmaması için optimum mesafede sınırlandırılmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçları, önerilen GNSS anten dizisinin GNSS L1 bandında çalışan uydu takımyıldızları (GPS, Galileo, BeiDou) için tutarlı kazanç, düşük eksenel oran ve kararlı RHCP kutuplaşma sunduğunu göstermiştir. Ayrıca tasarlanan anten dizilerinin ışınım örüntüleri yarımküresel dağılım sergilemekte olup GNSS uygulamaları için uygun yönlülük karakteristikleri taşımaktadır. Yapılan tasarımlar arasından seçilen 1.27 mm kalınlıklı Rogers RO3010 tabanlı birim anten, prototip olarak üretilmiş ve laboratuvar ortamında vektör ağ analizörü (VNA) ile karakterize edilmiştir. İlk üretim sonrasındaki ölçümlerde gözlemlenen frekans kaymasının, alt malzemenin efektif dielektrik sabitindeki belirsizlikten kaynaklandığı belirlenmiş; gerçekleştirilen parametrik tarama sonucunda epsilon_r değeri 10.95 olarak güncellenmiştir. Optimize edilen bu değerle anten yeniden üretilmiş ve elde edilen S11 ölçümleri, simülasyon sonuçlarıyla yüksek oranda örtüşmüştür. Nihai tasarım, GNSS L1 bandında çalışan bir alıcıya bağlandığında güvenilir uydu takibi sağlayarak konum bilgisi üretebilmektedir. Bu birim antenden dört adet üretilmiş ve dört kanallı bir CRPA platformuna başarıyla entegre edilebilir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında GNSS alıcı sistemleri için uygun, üretime hazır, miniaturize edilebilir ve düşük profilli bir anten yapısı geliştirilmiştir. Tasarlanan yapı, özellikle İHA'lar ve taşınabilir GNSS sistemleri gibi fiziksel alan kısıtlamalı platformlar için uygulanabilir, maliyet etkin ve yüksek performanslı bir çözüm sunmaktadır.